5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5hmC)是一种表观修饰的胞嘧啶，是5mC的羟基化形式，被称为DNA的第6种碱基。它最早于1952年在噬菌体DNA中被发现, 它能被糖基转移酶介导糖基化修饰, 从而使噬菌体基因组在进入宿主后能抵抗宿主限制酶的降解。最近科学家发现它在哺乳动物大脑以及胚胎干细胞中广泛存在，可通过Tet家族的酶对5mC的氧化而产生。同样，5hmC也参与基因的表达与调控并与干细胞和癌症相关。
Tet蛋白是重新编程已经分化的细胞的一种重要功能蛋白，人类和小鼠都拥有Tet蛋白。Tet家族的蛋白主要有Tet1、Tet2和Tet3。之前的研究发现Tet蛋白可以帮助干细胞自我更新并保持多潜能状态。越来越多的研究已经证明栽Tet蛋白可以催化5mC氧化形成5hmC。
由于5hmC主要分布在增强子和转录起始位点附近，因而它对基因的转录有很大影响，而5hmC的含量又受到Tet蛋白的调节，因此Tet蛋白和5hmC与基因的表达调控有很大关系，特别是在干细胞中，这一影响会决定干细胞的分化程度。美国北卡罗来纳大学张毅［1］的一些列成果证实Tet1蛋白能调控CpG富集启动子处的DNA甲基化与羟甲基化水平，进而能促进干细胞中与多能性相关的因子的转录，使干细胞保持多能性。我国复旦大学的研究人员［2］也揭示了Tet1在DNA甲基化与羟甲基化动态平衡及基因表达调控等方面的作用。除了Tet1，Tet2也能通过调节5hmC和5mC的含量进而影响基因的转录水平。
5mC 与基因表达抑制有关, 其羟基化后形成的5hmC 具有什么功能呢？目前虽然还不甚清楚, 但它可能与去甲基化过程和基因活性增加有关。关于5hmC在去甲基化过程中的作用机制目前主要有两种假设(图1)：第一种假设是5hmC参与了被动去甲基化过程, 在细胞分裂过程中5hmC 的存在干扰了DNMTs介导的CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化过程, 从而导致被动去甲基化[3]; 第二种假设是5hmC 参与了主动去甲基化过程, 基于哺乳动物5hmC特异性DNA转葡萄糖基酶的发现, 故推测5hmC可能是与DNA修复机制相关的主动去甲基化通路中的一个重要的中间产物[4], 通过一种至今尚未发现的酶机制可将5hmC转变成胞嘧啶。
图1 5hmC在DNA甲基化过程中的作用
近年来的研究发现，5hmC在肺癌、大脑肿瘤、皮肤癌、乳腺癌、子宫癌、胰腺癌、小肠癌、肝癌和肾脏肿瘤组织中含量与正常组织相比出现明显降低的变化，这表明5hmC可能在肿瘤发生和发展过程中起一定阻碍作用，即5hmC能够通过改变DNA甲基化状态来阻止肿瘤抑制基因和凋亡基因失活，如果5hmC含量降低，那么使得上述基因缺乏保护，从而导致肿瘤发生。此外，也有研究表明，随着胚胎干细胞的分化，5hmC表达水平逐渐下调，在诱导性多潜能干细胞产生期间又再次上调，说明5hmC的表达可能与多潜能细胞状态有关。可见，5hmC在不同组织之间表达的差异大，在胚胎发育的不同时期也不同。
5hmC 在哺乳动物基因组中的稳定表达及其在基因调控元件区独特的分布特点显示了它与5mC不同的基因调控作用。在调控基因转录的机制方面,
有研究认为由于羟甲基化的5mC 不能识别甲基化CpG结合蛋白, 如MBD1、MBD2、MBD4和MECP2等, 故能招募组蛋白去乙酰化酶(Histone deacetylases, HDAC), 从而使基因处于转录活性状态。目前该方面主要来自胚胎干细胞的研究, 但各研究团队间的结果不尽相同。
Wu等[5]等认为5hmC对基因的转录调控作用取决于其在基因组中的位置, 研究发现5hmC 在低表达基因的启动子区以及高或中度表达基因的基因内部相对富集, 在高表达基因的TSS位点极度低水平, 故认为启动子区域的5hmC 可能起着转录沉默的作用, 而基因内部的5hmC 与转录激活有关。这与人类额叶组织5hmC的表达研究类似, Jin等[6]发现基因内部5hmC的表达水平与基因表达水平呈正相关, 但是含低度CpG含量的启动子区5hmC水平与该基因表达水平也呈正相关。
5hmC在哺乳动物组织中的“重新发现”只有短短的3 年, 目前的检测技术也还有待完善, 对其功能的了解还处于起步状态, 但它对我们认识表观遗
传调控在人体发育和疾病发生中的作用增添了一个新的重要维度。5hmC 与基因的表达调控紧密相关并与干细胞的多能性维持以及癌症的发生有关，因此5hmC必将成为今后表观遗传学以及生物医学领域的研究热点。虽然目前关于5hmC的确切的生物学功能还不是很清楚，但是对于它的研究已经取得了很多突破性的进展，相信随着研究的深入终将揭开5hmC的神秘面纱，人们也必然会通过它更加深入地了解基因的表达和调控的机制。
参考文献
[1]Ito S; D'Alessio AC; Taranova OV Role of Tet proteins in 5mC to 5hmC conversion, ES-cell self-renewal and inner cell mass specification 2010(7310)
[2]Xu Y;Wu F;Tan L Genome-wide regulation of 5hmC,5mC,and gene expression by Tet1 hydroxylase in mouse embryonic stem cells 2011(04)
[3] Valinluck V, Sowers LC. Endogenous cytosine damage products alter the site selectivity of human DNA maintenance methyltransferase DNMT1. Cancer Res, 2007,67(3): 946–950.
[4] Tahiliani M, Koh KP, Shen YH, Pastor WA, Bandukwala H, Brudno Y, Agarwal S, IyerLM, Liu DR, Aravind L, Rao A. Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1. Science, 2009, 324(5929): 930–935.
[5] Song CX, Szulwach KE, Fu Y, Dai Q, Yi CQ, Li XK, Li YJ, Chen CH, Zhang W, Jian X, Wang J, Zhang L, Looney TJ, Zhang BC, Godley LA, Hicks LM, Lahn BT, Jin P, He C. Selective chemical labeling reveals the genome-wide distribution of 5-hydroxymethylcytosine. Nat Biotechnol, 2011, 29(1): 68–72.
[6] Szulwach KE, Li XK, Li YJ, Song CX, Han JW, Kim SS, Namburi S, Hermetz K, Kim JJ, Rudd MK, Yoon YS, Ren B, He C, Jin P. Integrating 5-hydroxymethylcytosine into the epigenomic landscape of human embryonic stem cells. PLoS Genet, 2011, 7(6): e1002154.
