DNA甲基化究竟发生在哪儿？如何发生？

我不是黄蓉500

问题1：人类基因组约有30亿个碱基对，DNA甲基化发生在哪儿？熟悉表观遗传的小伙伴答曰：主要是CpG位点。
问题2：人类基因组中有2800万个CpG位点，DNA甲基化发生在哪儿？研究DNA甲基化的小伙伴可能知道，启动子、增强子、genebody上都分布着甲基化。
问题3：这些甲基化如何发生的呢？熟悉DNA甲基化的小伙伴也应该知道，甲基化主要由DNA甲基转移酶(DNMT)负责，具体地分为DNMT1, DNMTA3和DNMT3B。绝大多数DNA甲基化的文献都会告诉你的是，DNMT3A和DNMT3B负责从头甲基化 (de novo methylation)，即从无到有。而DNMT1可以识别半甲基化的DNA，即一条链上有甲基化，一条链上没有；在DNA复制的过程中，将对面的那条链也甲基化，即执行DNA甲基化的维持 (methylation maintenance)。



CpG位点的从头甲基化和甲基化维持[1]

接下来的几个问题可能没有那么好回答：为什么我们需要三个DNMT？为什么我们需要两个从头甲基化酶DNMT3A和DNMT3B？基因中的启动子、增强子等调控元件那么多，仅增强子就有100万个，细胞怎么知道在哪些调控元件上添加甲基化，哪些不加？在问题1中没有提到的，甲基化不仅发生在CpG位点，还可以发生在non-CpG位点，比如CH(A/C/T)，这些non-CpG的甲基化 (主要富集在神经元中) 是如何发生的呢？在问题2中没有提到的，两个基因之间的区域，即基因间区 (intergenic region) 也有甲基化，基因间区的甲基化是如何形成的呢？这就是今天要讨论的话题。
随着ChIP等技术的普及，人们逐渐观察到：组蛋白修饰可以标记 (mark) 不同的区域，比如H3K27ac/H3K4me1标记活性转录基因的增强子区域，H3K4me3/H3K27ac/H3K9ac标记启动子区域，H3K36me3标记活性转录基因的genebody。



组蛋白修饰标记不同的基因区域[2]

而不同区域的DNA甲基化pattern也与在转录活性密切相关：比如启动子和增强子区域的高甲基化，通常抑制基因的表达；而genebody的高甲基化则与活性转录正相关。组蛋白修饰和DNA甲基化均呈现出特定的pattern，究竟是巧合还是另有其因？如果你看过此前的经典文章《当我们在讨论表观遗传时，究竟在讨论什么？》，应该熟悉这样一个重要论点：组蛋白修饰可以指导DNA甲基化。具体是如何指导的呢？
在2016年的讲座中，颉伟教授就提到：H3K4me3 的存在可以很好地保证基因启动子区域不被 DNA 甲基化。对于 DNMT3A/3B 很重要的 co-factor DNMT3L 无法结合到 H3K4me3 附近的 DNA 上，DNMT3A/3B 就不能过来，即存在一种 active 的机制保证启动子区域不被甲基化[3]。在 genebody 上有 H3K36me3，可以招募 DNMT3B。DNMT3B 里面有一个 domian，可以特异性结合 H3K36me3[4, 5]。最后就形成了一个非常有意思的 pattern，启动子区域没有甲基化，genebody 有甲基化。


来自颉伟教授2016年讲座七年过去了，这一调控范式不断得到丰富：先是2019年哥伦比亚大学路超、麦吉尔大学Jacek Majewski以及洛克菲勒大学C. David Allis等合作揭示了NSD1介导的基因间区的H3K36me2，可以招募DNMT3A，对基因间区进行甲基化[6]。前几天，圣路易斯华盛顿大学的 Harrison W. Gabel课题组在预印本bioRxiv上发文，揭示NSD1介导的H3K36me2通过招募DNMT3A，对神经元中的non-CpG进行甲基化[7]。


这幅组蛋白修饰指导的DNA甲基化图谱愈发清晰，我梳理如下：


但即便如此，很多问题依旧。组蛋白修饰可以指导DNA甲基化pattern的形成，这一理论中，得先有特定的组蛋白修饰，才能特定有甲基化pattern。
问题1：是否有例外？基因组中一定可以找到只有DNA甲基化，但是没有对应的组蛋白修饰的区域，这些区域的甲基化是如何形成的？当然可以是组蛋白修饰先招募DNMT3A/3B形成，然后再把组蛋白修饰去掉；也可以是压根儿就没有组蛋白修饰什么事情，直接通过其他机制形成了甲基化pattern。
问题2：DNA甲基化能否指导组蛋白修饰pattern的形成？看到相关文献的小伙伴欢迎在留言，感谢！
参考文献：

• Day, J.J. and J.D. Sweatt, DNA methylation and memory formation. Nat Neurosci, 2010. 13(11): p. 1319-23.
  
• Gates, L.A., C.E. Foulds, and B.W. O'Malley, Histone Marks in the 'Driver's Seat': Functional Roles in Steering the Transcription Cycle. Trends Biochem Sci, 2017. 42(12): p. 977-989.
  
• Ooi, S.K., et al., DNMT3L connects unmethylated lysine 4 of histone H3 to de novo methylation of DNA. Nature, 2007. 448(7154): p. 714-7.
  
• Baubec, T., et al., Genomic profiling of DNA methyltransferases reveals a role for DNMT3B in genic methylation. Nature, 2015. 520(7546): p. 243-247.
  
• Morselli, M., et al., In vivo targeting of de novo DNA methylation by histone modifications in yeast and mouse. Elife, 2015. 4: p. e06205.
  
• Weinberg, D.N., et al., The histone mark H3K3me2 recruits DNMT3A and shapes the intergenic DNA methylation landscape. Nature, 2019. 573(7773): p. 281-286.
  
• Hamagami, N., et al., NSD1 deposits histone H3 lysine 36 dimethylation to pattern non-CG DNA methylation in neurons. bioRxiv, 2023: p. 2023.02.17.528965.
  

想做的都做了吗

生命程序决定组蛋白修饰或DNA甲基化pattern。具体运行细节的可能性很多，比如有一种可能是某种蛋白定位DNA,同时修饰组蛋白，被修饰的组蛋白招募甲基化转移酶再甲基化DNA。