5-羟甲基胞嘧啶

5-羟甲基胞嘧啶 （5-Hydroxymethylcytosine， 5hmC）

5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine， 5hmC）是DNA中胞嘧啶的一种表观遗传修饰形式，由Tet家族双加氧酶（Tet1/2/3）催化5-甲基胞嘧啶（5mC）的氧化而产生。其发现于2009年，从根本上改变了将5mC视为稳定终末修饰的传统观点，揭示了DNA甲基化的动态性。5hmC不仅作为主动DNA去甲基化的中间产物，其本身也被认为是一种具有独特生物学功能的稳定表观遗传标记，在发育、神经系统功能和癌症中扮演重要角色。

1. 发现与生物合成

• 发现：2009年，两项独立研究（Kriaucionis & Heintz； Tahiliani 等）首次在哺乳动物脑细胞和胚胎干细胞中鉴定出5hmC，并发现其由Tet1催化生成。

• 生物合成：Tet蛋白以α-酮戊二酸和Fe²⁺为辅因子，催化5mC在5号碳原子上加一个羟基，生成5hmC。这是5mC氧化的第一步。

2. 分子特性与检测

• 化学稳定性：与5mC类似，5hmC在常规亚硫酸氢盐测序中会表现得像未修饰的胞嘧啶（C），因此传统BS-seq无法区分5mC与5hmC，需要特异性检测方法。

• 特异性检测技术：

  • Tet辅助BS-seq：利用重组Tet酶将5hmC氧化为5caC，后者在BS-seq中表现为胸腺嘧啶。

  • 化学标记法：利用葡萄糖基转移酶将带有生物素或荧光标记的葡萄糖基转移到5hmC上，进行富集或成像。

  • 基于抗体的检测：如免疫荧光、hMeDIP（羟甲基化DNA免疫沉淀）。

3. 基因组分布与功能

5hmC在全基因组中的分布具有组织特异性和动态性，不同于5mC：

• 高丰度组织：在大脑（尤其是神经元）和胚胎干细胞中含量最高。

• 基因组定位：

  • 基因体：在活跃转录基因的基因体内富集，与H3K36me3（转录延伸标记）共定位，可能参与转录调控。

  • 增强子：富集于活跃的和潜在的增强子区域，与其活性状态相关。

  • 启动子：在CpG岛启动子区域通常含量较低。

• 潜在功能：

  • 去甲基化中间体：是进一步氧化（为5fC/5caC）并进行主动去甲基化的前体。

  • 独立的表观遗传信号：其存在可能通过影响DNA-蛋白质相互作用（如阻碍某些甲基-CpG结合蛋白的结合）或招募独特的“阅读器”蛋白（如MeCP2也能结合5hmC），直接调控染色质结构和基因表达。

  • 神经元功能：大脑中高水平的5hmC暗示其在神经发育、突触可塑性和学习记忆中起关键作用。

4. 在疾病中的变化

• 癌症：

  • 普遍性丢失：在绝大多数实体瘤和血液肿瘤中，5hmC的全局水平显著降低，是癌症的表观遗传特征之一。这可能源于Tet酶表达/活性下降、底物（α-酮戊二酸）竞争（如IDH突变）或去甲基化通路异常。

  • 作为生物标志物：5hmC水平的降低与肿瘤分级、进展和不良预后相关，有潜力作为癌症诊断和预后判断的分子标志物。

  • TET2突变：在髓系白血病中直接导致5hmC生成缺陷。

• 神经精神疾病：阿尔茨海默病、亨廷顿病等神经退行性疾病以及自闭症谱系障碍患者的大脑组织中，特定基因区域的5hmC模式发生改变，提示其与疾病病理相关。

5. 与其他修饰的关系

• 与5mC：是5mC的直接衍生物，但其分布和功能不同，代表着更活跃的染色质状态。

• 与组蛋白修饰：常与激活性的组蛋白标记（如H3K4me3， H3K27ac）和开放的染色质区域共存。

6. 研究意义与展望

5hmC的研究推动了对表观遗传动态调控的深入理解。目前的研究重点包括：鉴定其特异性“阅读器”蛋白；阐明其在特定基因调控和细胞命运决定中的精确功能；以及探索恢复癌症中5hmC水平的治疗策略（如使用维生素C增强Tet活性）。

参考文献

1. Kriaucionis, S., & Heintz, N. (2009). *The nuclear DNA base 5-hydroxymethylcytosine is present in Purkinje neurons and the brain*. Science, 324(5929)， 929-930. （与Tahiliani等同期发表，首次在大脑神经元中独立发现5hmC）

2. 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，首次报道Tet1能催化生成5hmC）

3. Pastor, W. A., et al. (2011). *Genome-wide mapping of 5-hydroxymethylcytosine in embryonic stem cells*. Nature, 473(7347)， 394-397. （首次绘制了胚胎干细胞中5hmC的全基因组图谱）

4. Wu, H., & Zhang, Y. (2014). Reversing DNA methylation: mechanisms， genomics， and biological functions. Cell, 156(1-2)， 45-68. （综述中系统阐述了包括5hmC在内的DNA去甲基化机制）

5. Lio, C. J., & Rao, A. (2019). TET enzymes and 5hmC in adaptive and innate immune systems. Frontiers in Immunology, 10, 210. （以及关于5hmC在神经系统中作用的文献，例如：） Song, C. X., et al. (2011). *Selective chemical labeling reveals the genome-wide distribution of 5-hydroxymethylcytosine*. Nature Biotechnology, 29(1)， 68-72. （开发了5hmC化学标记与测序技术）