DNA去甲基化酶

DNA去甲基化酶（DNA demethylase）是一类能够主动移除DNA分子上甲基基团的酶，是实现DNA主动去甲基化（Active demethylation）过程的关键执行者。它们与DNA甲基转移酶（DNMTs）共同作用，动态、可逆地调控基因组DNA的甲基化状态，从而精确影响基因表达。其活性异常与发育缺陷、癌症及神经系统疾病等多种病理过程密切相关。

1. 核心发现与生化机制

传统认为DNA甲基化是稳定的表观遗传标记，但后续研究发现DNA去甲基化是一个动态过程，主要通过TET家族的氧化作用和胸腺嘧啶DNA糖基化酶介导的碱基切除修复完成。

• 1.1 TET家族（Ten-Eleven Translocation）

  • 功能：属于α-酮戊二酸和Fe²⁺依赖的双加氧酶，能催化5-甲基胞嘧啶的逐步氧化反应。

  • 反应步骤：5mC → 5-羟甲基胞嘧啶 → 5-醛基胞嘧啶 → 5-羧基胞嘧啶。

  • 关键成员：TET1、TET2、TET3。TET2在造血系统中尤为重要。

• 1.2 胸腺嘧啶DNA糖基化酶/碱基切除修复途径

  • 功能：TDG或SMUG1等糖基化酶能识别并切除TET氧化产物（如5fC、5caC），产生一个无碱基位点。随后通过碱基切除修复（BER）途径，插入一个未甲基化的胞嘧啶，从而完成去甲基化。

• 1.3 AID/APOBEC家族

  • 部分成员（如AID）可通过脱氨作用将5mC转化为T，再通过BER途径实现去甲基化，但该通路在哺乳动物体细胞中的作用仍有争议。

2. 生物学功能

• 胚胎发育与重编程：在受精后，父源基因组经历快速的主动去甲基化，以擦除亲本特异的表观遗传记忆，此过程高度依赖TET3。在诱导多能干细胞重编程中，去甲基化是激活多能性基因的关键。

• 细胞分化与谱系决定：在特定细胞分化过程中，关键基因启动子区域的去甲基化是其激活表达的先决条件。

• 基因组印记擦除：在原始生殖细胞中，TET1/2介导的亲本基因组印记的擦除对于产生新的表观遗传蓝图至关重要。

• 神经元功能与可塑性：在成熟神经系统中，TET介导的动态DNA去甲基化参与学习、记忆形成和突触可塑性的调控。

• 增强子激活：增强子区域5mC到5hmC的转化常与增强子激活状态相关。

3. 在疾病中的作用

• 癌症：

  • TET2失活：是骨髓增生异常综合征、急性髓系白血病和慢性粒单核细胞白血病中最常见的表观遗传修饰基因突变之一。其失活导致全基因组DNA高甲基化（特别是增强子区域），破坏正常的造血分化程序，驱动白血病发生。

  • IDH1/2突变：其致癌突变产物2-羟基戊二酸能竞争性抑制TET2的活性，导致类似的DNA高甲基化表型，见于胶质瘤和AML。

  • TET1异常表达：在混合谱系白血病中，由MLL融合蛋白驱动的TET1异常高表达可能通过异常的去甲基化激活致癌程序。

• 免疫疾病：TET蛋白在调节T细胞分化与功能中起重要作用，其缺陷与自身免疫性疾病相关。

• 神经发育与精神疾病：TET1功能异常与雷特综合征、自闭症谱系障碍等神经发育疾病有关。

4. 作为治疗靶点的潜力

• TET2激活/恢复策略：针对TET2失活的癌症，理论上恢复其功能或激活其下游通路可能具有治疗价值。

• 维生素C的佐剂作用：维生素C（抗坏血酸）是TET酶的辅因子，能增强其活性。研究显示，维生素C可改善TET2缺陷型血液系统疾病的模型表型，并在临床试验中与去甲基化药物联用进行探索。

• 联合治疗：鉴于TET2/IDH突变与DNA高甲基化相关，这些患者可能对DNA甲基转移酶抑制剂（如阿扎胞苷）更敏感。

5. 与其他表观遗传机制的关联

• 与组蛋白修饰协同作用，如H3K4me3（活性标记）常与低甲基化的启动子区域共存，而H3K27me3（抑制标记）可能与高甲基化区域重叠。

• 5hmC本身作为一种稳定的表观遗传标记，可被特定“阅读器”蛋白识别，影响染色质状态。

参考文献

1. Tahiliani, M., et al. (2009). *Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1*. Science, 324(5929)， 930-935. （里程碑研究，首次发现TET1能催化5mC转化为5hmC，揭示了主动去甲基化的关键机制）

2. Ito, S., et al. (2011). *Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine*. Science, 333(6047)， 1300-1303. （发现TET蛋白能进一步氧化5hmC，阐明了完整的氧化去甲基化通路）

3. Ko, M., et al. (2010). *Impaired hydroxylation of 5-methylcytosine in myeloid cancers with mutant TET2*. Nature, 468(7325)， 839-843. （揭示了TET2突变在髓系白血病中的作用及其导致的5hmC缺失）

4. Shen, L., et al. (2008). *Genome-wide analysis reveals TET- and TDG-dependent 5-methylcytosine oxidation dynamics*. Cell, 153(3)， 692-706. （全基因组水平揭示了TET和TDG依赖的DNA去甲基化动力学）

5. Rasmussen, K. D., & Helin, K. (2016). Role of TET enzymes in DNA methylation， development， and cancer. Genes & Development, 30(7)， 733-750. （全面综述了TET酶在DNA甲基化、发育和癌症中的功能）