基因甲基化到底有什么用？

基因甲基化到底有什么用？

基因甲基化（methylation）是现代生物与医学界最热门的一个专业词汇。甲基化，是指从活性甲基化合物上将甲基催化转移到其它化合物的过程，可形成各种甲基化合物，或是对某些蛋白质或核酸（基因、DNA）等进行化学修饰形成甲基化产物。在生物系统内，甲基化是经酶催化的，这种甲基化涉及重金属修饰、基因表达的调控、蛋白质功能的调节以及核糖核酸加工。

DNA甲基化作为一种重要的表观遗传机制，主要通过甲基转移酶的作用将甲基引入DNA中，导致基因表达水平改变从而引起表型变化。大量研究表明，DNA甲基化与人类的多种疾病及动植物的生长、发育、衰老等密切相关。功能性成分因其可调节人体机能而日益受到人们的重视，其调节机制也成为科研工作者的研究重点。研究显示生物体DNA甲基化水平因自身和环境因素改变而变化，而多种具有生物活性的功能成分也对其有重要影响。

如果从分子水平再具体讲，DNA甲基化是最早发现的一种与基因抑制相关的表观遗传机制，它不改变DNA的碱基组成而影响基因的表达，并广泛存在于动、植物基因组中。哺乳动物DNA甲基化过程是由S-腺苷甲硫氨酸（SAM）活化甲基，在甲基转移酶（DNMT）催化下将甲基基团转移到胞嘧啶的第五个碳原子上，DNMT作为DNA甲基化的核心调控物质在此过程中起“指挥”作用；DNMT主要分为DNMT1、DNMT3a、DNMT3b 3种，DNMT1在DNA复制过程中维持了DNA子链与母链相同的甲基化状态，DNMT3a和DNMT3b则是从头参与合成甲基化，DNA甲基化参与包括基因印记，维持染色体完整性，调节基因表达等多种生理过程，DNA甲基化因其对多种疾病都有重要影响而成为近年来医学和营养学研究的重点。

甲基化研究是现代最流行的分子生物学与临床医学领域，而且已经开始走向临床医学的治疗以及营养医学的食疗。本文略微分析一二，供大家参考。

1、甲基化的功能

DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。
 
2、甲基化与疾病

甲基化状态的改变是引起肿瘤的一个重要因素，这种变化包括基因组整体甲基化水平降低和CpG岛局部甲基化水平的异常升高，从而导致基因组的不稳定（如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达）和抑癌基因的不表达。如果抑癌基因中有活性的等位基因失活，则发生癌症的机率提高，例如：胰岛素样生长因子-2（IGF-2）基因印记丢失导致多种肿瘤。由此可见，甲基化是双向的：正甲基化与去甲基化。

目前肿瘤甲基化的研究主要集中在抑癌基因。这是因为人们发现肿瘤的发生可能与抑癌基因启动子区的CpG岛甲基化造成抑癌基因关闭有关。由于CpG岛的局部高度甲基化早于细胞的恶性增生，因此甲基化的诊断可以用于肿瘤发生的早期预测，而且全基因组的低甲基化也随着肿瘤发生而出现，并且其随着肿瘤恶性度的增加而显著，因此甲基化的检测可用于肿瘤的分级。
 
3、甲基化的类别

（1）DNA甲基化

DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。脊椎动物的DNA甲基化一般发生在CpG位点。经DNA甲基转移酶催化胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶。人类基因中约80%-90%的CpG位点已被甲基化，但是在某些特定区域，如富含胞嘧啶和鸟嘌呤的CpG岛则未被甲基化。这与包含所有广泛表达基因在内的56%的哺乳动物基因中的启动子有关。1%-2%的人类基因组是CpG群，并且CpG甲基化与转录活性成反比。

（2）蛋白质甲基化

蛋白质甲基化一般指精氨酸或赖氨酸在蛋白质序列中的甲基化。精氨酸可以被甲基化一次（称为一甲基精氨酸）或两次（精氨酸甲基转移酶（PRMTs）将两个甲基同时转移到精氨酸多肽末端的同一个氮原子上成为非对称性甲基精氨酸，或者在每个氮端各加一个甲基成为对称性二甲基精氨酸）赖氨酸经赖氨酸转移酶的催化可以甲基化一次、两次或三次。在组蛋白中，蛋白质甲基化是被研究较多的一类。在组蛋白转移酶的催化下，S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到组蛋白。某些组蛋白残基通过甲基化可以抑制或激活基因表达，从而形成为表观遗传。蛋白质甲基化是翻译后修饰的一种形式。
  
4、甲基化在衰老过程的变化

对于多数脊椎动物的组织，其基因组中总甲基胞嘧啶的含量随衰老而倾向于减少，从而引起基因组中低甲基化。主要由于：

（1）DNA甲基化外源性调节与衰老

外源性因素，如与衰老相关的营养因素参与了DNA 低甲基化。食物甲基化供体摄入的不足有可能导致某些基因启动子发生去甲基化，而这些标记的改变可能会导致病理情况的发生和发展，如肥胖、2 型糖尿病、癌症、心血管系统疾病、神经退行性疾病和免疫性疾病等一系列老年性疾病。此外，食物中微量元素的不足也会影响DNA 的甲基化。在老年人中，微量元素锌、硒等的缺乏会导致一碳代谢的改变，从而也会引起基因组DNA 的低甲基化。

（2）DNA甲基化内源性调节与衰老

DNA 甲基化的内源性调节因素主要指机体内DNA 甲基转移酶和去甲基化酶的活性水平和体内其它因素对DNA 甲基化水平的调节。至少有3个方面。第一，DNA甲基化酶活性改变：随着年龄的增加，对于保持异染色质DNA 超甲基化状态起重要作用的Dnmt1 活性逐渐降低，引起被动去甲基化，进而引起在衰老过程中，基因组的DNA 甲基化被逐渐消耗。从出生到衰老的过程中，Dnmt1 的表达量显著减少，并且Dnmt1 的活性降低可能导致在有丝分裂过程中甲基化模式复制减少。第二，叶酸代谢的障碍：随着年龄的增加，作为甲基供体之一的叶酸的摄入及其可利用率降低，叶酸也逐渐减少。衰老时由叶酸调节一碳代谢通路中的高半胱氨酸含量增加。而一碳代谢中甲基转移的紊乱是引起血液中高同型半胱氨酸增加的一个主要原因，这也同时增加细胞的S- 腺苷高半胱氨酸，进而抑制DNA 甲基转移酶活性，导致基因组低DNA 甲基化状态。第三，激素水平的改变：随着年龄的增大，动物机体内的激素水平也相应地发生一系列的变化。这些激素对于基因组的DNA 甲基化状态也产生了一定的影响。随着年龄的增加，性激素的减少可能会引起低DNA 甲基化。
 
5、甲基化与X染色体失活

哺乳动物中GpC岛胞嘧啶的甲基化与X染色体失活密切相关，若GpC岛甲基化缺失,X染色体失活状态将不稳定。哺乳动物中，雌性体细胞内存在两条X染色体，而在雄性体细胞内只存在一条X染色体，这就要求必须对不同数量的X染色体进行剂量补偿，使雌性个体中的一条X染色体失活。X染色体失活一旦建立则保持稳定，其所有的子细胞均失活同一条X染色体。

当一个卵子与精子形成一个雌性胚胎时，X特异性失活转录本可以通过甲基化使来自于父方的那条染色体失活。xist基因5′端在活性的X染色体中是完全甲基化的，而在失活的X染色体上则是非甲基化的，也就是说xist基因是在失活X染色体上转录而在活性X染色体上不转录的唯一基因，即xist基因的甲基化是相应染色体保持活性的保证。

6、有机功能性成分对DNA甲基化的影响

（1）多酚和黄酮类化合物对DNA甲基化的影响

多酚和黄酮类物质是一类从天然产物中提取的具有生物活性的有机类化合物。黄酮类物质的中心结构由两个具有酚羟基结构的苯环通过一个三碳环连接组成的C6-C3-C6结构，由于 C环的结构不同，黄酮类化合物又可分为异黄酮类、二氢黄酮、黄酮类、花色素等；多酚类化合物是指分子结构中有若干个酚性羟基的植物成分的总称，普遍存在于植物种子、水果蔬菜及中草药中，其具有抗病毒、消炎、利胆、强心以及抗氧化、抗衰老、免疫调节和抗肿瘤等多种药理作用。

研究发现：植物多酚（酚酸、白藜芦醇）和黄酮类化合物（高良姜素、杨梅素、根皮素）可诱导喉癌细胞系的RARβ、RASSF1A、HIA-1等基因高甲基化并阻止其去甲基化。通过MSP和RT-PCR法检测，发现二氢杨梅素可抑制甲基转移酶从而诱导人的乳腺癌MCF-7细胞第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因（Phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10，PTEN）的去甲基化。姜黄素也能上调PTEN的MiR-29b和下调DNMT3b介导其DNA甲基化。黄连素能降低高脂日粮大鼠MTTP基因启动子的甲基化程度。另有研究报道，不同剂量的大豆异黄酮皆可显著下调大鼠Aldh1l1基因启动子区甲基化水平，而高剂量的大豆异黄酮则上调Extl1和WAP基因启动子甲基化水平，新疆雪莲总黄酮可使因高甲基化无法表达的基因正常表达并抑制DNA甲基化酶活性。此外，较早研究还发现以黄酮类物质为主要成分的蜂胶乙醇提取物（EEP）能提高小鼠心肌DNA甲基化水平，染料木黄酮（Genistein）可引起异常沉默的肿瘤抑制基因再次表达，茶多酚具有提高老年小鼠肝脏甲基化酶活性的作用。

多酚和黄酮类化合物在影响甲基化过程中通常是和饮食中的多种活性成分相互协同起作用，而单一成分对甲基化影响并不明显，其对DNA甲基化的可能作用机制有以下几点：（1）通过与甲基转移酶（DNMT1）催化位点作用抑制其活性从而影响DNA甲基化状态；（2）通过改变能量代谢间接改变相关基因的甲基化水平；（3）将S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转变为S-腺苷高半胱氨酸（SAH）从而达到抑制DNMT的作用。

（2）维生素对DNA甲基化的影响

维生素是人和动物生长发育过程中所必需的营养素，生物体不能自身合成，必须从食物中获得。维生素分为脂溶性（维生素A、D、E和K）和水溶性（B族维生素，维生素C）两类，若长期缺乏某种维生素将引起严重的生理功能障碍。维生素作为人和动物维持正常生理功能的一种有机成分，对DNA甲基化有非常重要的影响。其中叶酸、维生素B12、维生素B6、维生素B2是最主要的影响物质，它们通过一碳单位代谢参与调节DNA甲基化。叶酸是一种水溶性B族维生素，由小肠吸收转化为四氢叶酸（THF）再经一系列辅助因子参与调节后不可逆的变为5-甲基四氢叶酸，此过程中的甲基最终传递给SAM为DNA甲基化提供了甲基供体；其次维生素B12作为一种重要辅助因子参与了同型半胱氨酸（Hcy）转化为甲硫氨酸和5-甲基四氢叶酸转化为四氢叶酸的过程；而维生素B6则参与Hcy转化为半胱氨酸，THF转化为亚甲基四氢叶酸的过程；维生素B2作为多种辅酶的前体物质影响叶酸和维生素B12的代谢。作为甲基的重要来源物质，它们中的任何一种缺乏或过剩都会影响DNA甲基化水平。此外，维生素C也可阻止甲醛介导的支气管上皮细胞系DNA氧化和甲基化，并支持了DNA氧化可诱导其甲基化假说，同时胆碱也是一种可改变DNA甲基化水平引起人的神经系统发育的物质。

大量实验证明了以上物质在DNA甲基化中的重要作用，Duthie等[17]通过小鼠试验发现叶酸缺乏可致小鼠肝脏和结肠中的SAM/SAH下降进而引起DNA低甲基化，Kotsopoulos等[18]的研究指出断奶后饲料中叶酸缺乏将导致大鼠肝脏中甲基化水平上升而这种状态将维持到成年直至饲料中的叶酸增加；长时间缺乏维生素B12可能诱导食管鳞状细胞癌和贲门腺癌和DNA低甲基化，还有报道表明围孕期饮食中的B族维生素含量可能改变其后代的胰岛素样生长因子（IGF-2）基因 DNA 甲基化模式。

因此，适当的补充这几种维生素将维持体内DNA甲基化的稳定，减少患癌几率，促进婴幼儿神经发育。

（3）OMEGA-3多不饱和脂肪酸对甲基化的影响

OMEGA-3多不饱和脂肪酸（OMEGA-3 PUFAs）又名ω-3多不饱和脂肪酸，是一类含有两个以上双键的不饱和脂肪酸。常见的多不饱和脂肪酸有：α-亚麻酸、二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA）和二十二碳五烯酸（DPA），主要存在于坚果、海豹和深海鱼类中，能够促进婴幼儿脑部和神经系统的发育，降低心血管疾病发病率，抑制血栓形成，降血压，保护视力。国内外近期研究表明，OMEGA-3多不饱和脂肪酸也参与调控DNA甲基化，对阿拉斯加Yup’ik地区的185位OMEGA-3 PUFAs摄入最多和最少的当地土著人的470 000个DNA甲基化位点做出评估显示，与生物学有关的27个不同甲基化CpG位点有表观遗传学上的极显著差异（P<1×10-7）；对3组分别喂养OMEGA-6 PUFAs、OMEGA-3 PUFAs和正常脂饲料的小鼠脂肪组织基因组DNA总甲基化和甲基转移酶活性进行了测定，结果表明OMEGA-3 PUFAs组的总甲基化程度明显低于OMEGA-6 PUFAs组，但OMEGA-3 PUFAs组甲基转移酶的表达无变化，可见OMEGA-3 PUFAs并不作用于甲基转移酶改变DNA甲基化状态。目前关于OMEGA-3多不饱和脂肪酸影响DNA甲基化的作用机制还未明确，仍需做进一步研究。

（4）其它物质对DNA甲基化的影响

除以上几类功能成分影响DNA甲基化外，仍有许多物质可改变DNA甲基化水平，报道指出很多精神活性作用的生物碱的滥用也可干扰DNA甲基化状态。例如，可卡因的过量摄入可以使母体内的小鼠PKCε基因启动子邻近区域激活蛋白-1（AP-1）结合位点甲基化程度上升从而抑制了PKCε的转录和表达。酒精也能间接引起DNA甲基化异常，其作用机制主要是通过影响营养物质和维生素的代谢导致甲基供体和SAM合成被抑制。甲基苯丙胺也能通过改变DNA甲基化水平抑制其转录。吗啡可通过抑制兴奋性氨基酸3型转运体介导的半胱氨酸摄入量减少因氧化还原引起的人的神经元SH-SY5Y细胞全基因甲基化，这些精神活性物质大多通过增加或降低甲基化程度进而抑制DNA转录过程。

黄芪多糖可使人胚肺二倍体成纤维细胞（HDF）的P16基因外显子Ⅰ限制性内切酶SmaⅠ位点的甲基化水平随着年龄增加而减少，通过改变SA-β-gal活性延缓细胞衰老；树舌多糖（GF）有防止小鼠HepA瘤基因组低甲基化的作用。植物性的异硫氰酸酯多存在于十字花科蔬菜中，如花椰菜，辣根等。目前的研究已经证实异硫氰酸酯类化合物具有抗癌，抗肿瘤等功效。研究表明异硫氰酸苯己酯能将P15基因高甲基化的Molt-4细胞去甲基化，使该基因重新表达；研究发现富含多种脂肪酸和维生素E的可可提取物能够降低人的外周血白细胞DNA甲基化程度，并抑制甲级转移酶的表达。

7、无机功能成分对DNA甲基化的影响

无机功能成分在影响DNA甲基化方面的作用也不容忽视。目前的研究现状显示对DNA甲基化有影响的无机功能成分主要有硒、锌等微量元素。研究发现低硒日粮组鸡的肌肉、肝脏、脑、免疫组织中的DNA总甲基化水平低于对照组，甲基转移酶DNMT1，DNMT3a，DNMT3b的mRNA表达水平也有降低趋势，硒的缺乏也可导致结肠癌细胞DNA的低甲基化；用不同剂量的锌物质对不同时期的果蝇进行干预发现：锌对提高果蝇DNA甲基化多态性有一定帮助。此外，锌还能导致鼠肝脏基因组DNA的低甲基化。

硒和锌主要通过一碳循环中酶的辅助因子或作为必要物质发挥作用进而影响DNA甲基化，硒还可改变DNMT1的活性使甲基基团失效影响已甲基化的DNA分子的复制过程，锌参与合成甲硫氨酸，而甲硫氨酸是SAM的重要原料，因此锌的缺乏也将引起DNA正常甲基化受阻。

8、可以影响DNA甲基化的食物

简单回顾一下：当DNA双螺旋某些缠绕的部分松开时，甲基基团就可以和这部分的DNA或组蛋白结合，这叫做甲基化。甲基化可以调控基因表达，也就是关闭或开启基因。甲基化并不是唯一的基因调控方法，但是是最普遍的。已经有足够的证据说明，环境确实会通过表观遗传作用开启或关闭基因。“表观遗传学”（epigenetics）是近年来生命科学的研究重点——在基因没有突变的前提下，还有其它因素可以影响基因的表现，而这些影响可以经由细胞分裂不断复制。

“甲基化”（methylation）是现在研究最透彻的“表观遗传标记”，活化基因的启动区如果被甲基化，基因就会倾向“不活化”，不合成蛋白质，原有的身体功能就会发生变化。那我们就尽量找出有“去甲基化”作用的食物，提炼成精，每天吞下好几颗，不就可以常保健康？现在有许多健康食品，就在初步的动物实验后，开始倡导具有健康、纠错甚至防癌功能。当然，有机的普通食材，可能比提纯的功效营养素更加让人放心。

对基因的调控不当，比如低甲基化，会导致各种慢性疾病的发生。甲基化失衡也是肿瘤发生的表观遗传标记之一。造成低甲基化的原因之一就是甲基化的原材料不足。这些原材料，也叫“甲基供体”，包括：叶酸，维生素B12，胆碱（一种B族维生素复合物），omega-3脂肪酸，以及多种矿物质和必需氨基酸。哪些食物富含“甲基供体”呢？——动物内脏、贝类、蛋类、蔬菜。注意，高糖饮食（精加工米面糖和酒精）与人工食品添加剂（包括转基因食品）会上调炎症反应蛋白，反过来造成甲基化失衡。除了可见营养的食物因素，还包括长期慢性压力、炎症、噪音、睡眠等环境因素。

但是，问题在于：生物细胞太复杂，某种成分对某些人可能会带来某些好处，但也可能会有潜在风险，需要一段时间才会发现。比如说，有些人天生代谢咖啡因的速度慢，这些人常喝咖啡有预防乳癌效果，但也会增加得到心脏病的机率。这种防癌效果，并不会出现在代谢速度正常的人。而“去甲基化”也不是完全正面。也许有某种食物会对抑制A癌症的基因“去甲基化”，但同时也对B癌症的促进因子去甲基化。福祸相倚是世间常态，要不然喝绿茶的民族应该会最长寿了。也就是说，正甲基化与去甲基化，到底如何影响健康，或者说是有助于健康还是有损于健康，要因人而异，因具体的基因改变而不同。

最后的话

食物功能性成分不仅为机体提供能量和多种营养物质，同时通过改变和修饰染色质的结构调节基因的表达，使得机体表型发生变化。研究结果表明：从食物中获得的各种功能活性成分，通过相互影响或协同作用对动物基因组DNA 甲基化产生影响，它们作用于甲基转移酶、一碳单位代谢和某些尚未明确的分子机制。利用甲基化的食物对生命过程的调节，使得我们的健康与生存向好的一面转化，这是本文最后的结论。

一个显著的例子就是生酮饮食（包括严格生酮、半生酮、改良生酮等等），这种饮食结构，不是单一的吃什么（比如脂肪）不吃什么（比如碳水），而是注重甲基化食物和抗炎食物的选择、抗营养素食物和致炎食物的避免等等。许多人都担心长期低碳水饮食，可能会造成身体疾病。然而，越来越多的表观遗传学证据表明，长期低碳水饮食是最有益于基因正常表达、并能把人的基因潜力发挥到最大程度的饮食方式。经过多年研究，有学者总结了“人类饮食”的 四大支柱：带骨头的肉类、动物器官和内脏、发酵发芽类食物和新鲜无人工添加剂的食物。这些低碳水食物，就是人体与基因对话的正确语言，也是百万年前人类早期社会的饮食结构基础。正是农业革命与工业革命，提高了碳水化合物和人工食品添加剂在我们饮食结构中的比例，导致一系列亚健康与慢性病。

现代科技，有各种仪器可以帮助我们，记录我们的睡眠质量，跑步时的最大心率，消耗的卡路里数，可以查询食物的营养成分，测量血压血糖血脂……我们理应更健康，但我们没有。更精确的秤、更全的卡路里数据库，不会让我们变得更健康。让我们变得更健康的，是尊重食物、了解食物，等候食物给你丰厚的回馈。8000年前编著的《神农本草经》，就是讲的尊重食物、了解食物。在医学所谓的“如此发达”的当今社会，亚健康与慢性病却无法避免，说明这样一个道理：选择正确的、自然的食物，根本不用去想该吃多少克蛋白质，多少克脂肪才合适。那些天然食物里的营养配比，天然就是最合理的。所以，这个答案不关乎计算，而是关乎食材的选择、搭配与烹饪，以及对自己的健康管理。请继续关注《加拿大博士龙立体排毒免疫修复》推广的来自最原始饮食结构的生酮、低碳、分食、太极食疗方法，以及生命全周期全息营养健康管理。