DNA甲基化是研究得最多最广的一种表观遗传学修饰，但时至今日，DNA甲基化的作用仍然存在许多谜团。今天就让广州再生医学与健康广东省实验室的Jiaqi Sun和Hui Zheng团队为我们解读DNA甲基化与神经干细胞之间的研究进展。

DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA是表观遗传学领域的三大支柱。哺乳动物的DNA甲基化修饰主要发生在胞嘧啶，由DNA甲基转移酶家族（DNMTs）催化。之前认为DNA甲基化修饰在终末分化的细胞中几乎是不可逆的、持续存在的，比如神经组织中。直到双加氧酶家族（TETs）的发现。这种酶能够通过对甲基胞嘧啶持续氧化，形成5-羟甲基化胞嘧啶、5-甲酰基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶，最后通过脱羧酶进行脱羧，重新还原至胞嘧啶，完成主动DNA去甲基化的过程。因此在含高丰度5-羟甲基化胞嘧啶的脑组织中，TET对神经元发育分化的作用就显得尤为重要。

在胚胎发育过程中，神经外胚层形成神经板，然后内陷形成神经管。神经干细胞就来自神经管上的那些上皮细胞和放射状胶质细胞，分化形成神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。待到胚胎发育完成时，大部分神经干细胞集中在海马齿状回颗粒下层和侧脑室室管膜下区“静息休养”。当脑部受到损伤时，这些干细胞会重新激活，进行损伤修复。那么在脑发育和神经损伤修复的过程中，神经干细胞里DNA甲基化与去甲基化的动态变化和调控机制又是怎么样的呢？

DNMTs有三个成员，其中DNMT3a和DNMT3b是重头甲基转移酶，负责将双链上对应的两个胞嘧啶进行甲基化修饰（CG在反义链上也是CG，所以甲基化位点都是成对出现的），除了CG外，CA/CC/CT这些位点(CpH)的胞嘧啶也能发生甲基化，这是由DNMT3A去完成的。相比胶质细胞而言，CpH甲基化是神经元特有的一种表观遗传修饰，主要发生在个体出生后突触形成与神经回路成熟的那段时间，被认为与脑发育和神经可塑性调节有关。DNMT3A敲除的小鼠模型中，神经干细胞增殖能力会提高，但更容易向胶质细胞分化，破坏学习和记忆能力。

而DNMT1是维持甲基转移酶，能识别半甲基化（一条链上有甲基胞嘧啶，另一条上是非甲基化的胞嘧啶），然后将对应的CpG也进行甲基化修饰，这种现象主要发生在有丝分裂的细胞中半保留复制的母链与新合成的子链上。随着细胞分裂的进行，母链上DNA甲基化信息需要通过DNMT1遗传给子链，因此DNMT1表达与细胞增殖能力呈正相关，从而保持神经干细胞中维持干性和促进分化的基因启动子上特有的甲基化特征。当然最新的研究表明DNMT1也具有一定的重头甲基化的功能，主要是那些H3K9me2/3富集的DNA区域上。

当然首先识别半甲基化的蛋白其实是SRA域家族成员的UHRF1/2，是它将DNMT1以及HDAC1等招募过来。UHRF1在正在增殖的神经干细胞和成年的海马组织中表达很高，这可能与神经干细胞活性存在某种关联，不过尚无更深入的机制研究。

甲基结合蛋白家族（MBDs）是一类能特异识别甲基胞嘧啶的蛋白。有研究认为MBD1缺失突变会引起神经干细胞分化相关基因表达上调，尤其是胶质细胞相关的标志物；此外MBD1能够结合bFGF启动子甲基化，从而调控其表达。另一个成员MeCP2与树突神经元成熟有关，研究得比较详细的几个案例包括BDNF、miR-137、CREB1等，此外，MeCP2还能与5-羟甲基化胞嘧啶和CpH结合，发挥转录抑制功能。

锌指Kaiso家族是另一类能够结合甲基胞嘧啶的蛋白。虽然其家族成员ZBTB4和ZBTB38在脑内表达很高，但功能相关的研究较少，有兴趣的同行可以考虑作为一个新的研究方向。

在DNA去甲基化调控方面，Gadd45b可以通过核苷酸切除修复的机制来实现去甲基化，即将被甲基化修饰的胞嘧啶更换成未修饰的胞嘧啶。这种机制在成体神经元发生过程对BDNF和bFGF的研究中已经得到了证实。

当然提到DNA去甲基化，前面提到的TET家族才是真正的主角。虽然许多细胞和动物研究已经证实TET1/2/3都与神经干细胞分化成熟关系密切，但在神经元发育过程中，它们发挥的具体作用还是有所差异的。例如TET1和TET2发挥调控机制就完全不同；TET3与印迹基因的转录失活有关。此外，在阿片类药物和维生素C对脑和发育研究中发现，药物影响神经干细胞的分化和功能是通过TET1介导的DNA去甲基化实现的。TET1与DNMT1在维持甲基化和对半甲基化CpG位点的作用上表现出来完全相反的功能和相互竞争的关系。

当然，DNA甲基化与去甲基化对神经发育的作用很复杂，（去）甲基化相关蛋白与其他表观遗传调控因子的相互作用也亟待进一步揭示。

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