基因甲基化检测、甲基化PCR 的原理是什么

一种全新的DNA甲基化研究方法——Pyrosequencing技术
DNA甲基化是一种表观遗传修饰,它是由DNA甲基转移酶（DNA methyl-transferase,Dnmt）催化S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体,将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶（mC）的一种反应,在真核生物DNA中,5-甲基胞嘧啶是唯一存在的化学性修饰碱基.CG二核苷酸是最主要的甲基化位点,它在基因组中呈不均匀分布,存在高甲基化、低甲基化和非甲基化的区域,在哺乳动物中mC约占C总量的2－7％.一般说来,DNA的甲基化会抑制基因的表达.DNA的甲基化对维持染色体的结构、X染色体的失活、基因印记和肿瘤的发生发展都起重要的作用.
CpG双核苷酸在人类基因组中的分布很不均一,而在基因组的某些区段,CpG保持或高于正常概率,这些区段被称作CpG岛.CpG岛主要位于基因的启动子和第一外显子区域,约有60％以上基因的启动子含有CpG岛.CpG甲基化的研究在肿瘤的研究中有着非常主要的地位.通过基因启动子区及附近区域CpG岛胞嘧啶的甲基化可以在转录水平调节基因的表达,从而引起相应基因沉默,去甲基化又可恢复其表达.DNA甲基化在生理情况下就参与了控制基因的时空表达,在肿瘤发生时,肿瘤细胞全基因组低甲基化是一个重要特征.肿瘤细胞基因组甲基化的程度与正常细胞相比仅为20-60% ,同时伴有局部区域基因的高甲基化,包括肿瘤抑制基因、抑制肿瘤转移和浸润的基因、细胞周期调节基因、DNA修复基因、血管形成抑制基因等.但是目前研究手段的局限,限制了DNA甲基化的广泛研究.
近年来,研究者不断探索定性及定量检测单个或多个甲基化位点的方法,但由于甲基化多态性区域存在的密度很高,所以对于延伸反应其引物的位置很难设计.Pyrosequencing技术作为一种新的序列分析技术,能够快速地检测甲基化的频率,对样品中的甲基化位点进行定性及定量检测,为甲基化研究提供了新的途径.
从原理上来看,Pyrosequencing是一种通过合成方法进行序列分析的方法,它通过核苷酸和模板结合后释放的焦磷酸引发酶级联反应,促使荧光素发光并进行检测.这项技术曾经被用作单核苷酸多态性（SNP）的基因型和单倍型的检测,以及细菌和病毒的鉴定和分型研究.这项技术的一个主要特点是在Pyrogarm™软件上显示的峰值高度来自于序列分析的原始数据,通过峰值的高度可以精确的检测混合DNA模板中等位基因的频率.
目前甲基化研究方面,很多甲基化定量分析的报道采用亚硫酸氢盐处理甲基化样本,并用混合的PCR产物
作为校正.其主要原理是：亚硫酸氢盐可以将没有甲基化的胞嘧啶转化为尿嘧啶,而在适当的实验条件下甲基化的胞嘧啶保持不变.因而,用它处理样本后,再进行PCR扩增,甲基化的位点可以被当作一个C/T的SNP来处理,它的基因频率为0－100％.在此,我们给大家介绍一个研究人员使用Pyrosequencing技术分析并精确定量DNA甲基化水平的例子.
研究者在一个Pyrosequencing反应中同时检测了6个甲基化位点.这种方法同样可以用于石蜡包埋的组织,并且具有较高的重复性和精确性.实验选择谷胱甘肽-S-转移酶π（GSTP1）转录启动位点的CpG岛进行检测.这些位点在正常前列腺组织中是非甲基化的,而在肿瘤样本中高甲基化.通过PCR扩增一个包含17个甲基化多态位点140bp的片段,并用4个测序引物研究其中15个位点（Table 1）.使用在线的SNP测序引物设计软件（Pyrosequencing AB）设计测序引物,其中一些甲基化多态性位点用最可能的碱基所代替,以减少计算的数量.再通过人工检测测序引物可能存在的错配.此外,同时在PSQ 96MA DNA分析仪上运行空白对照,扣除由测序引物、生物素标记的引物或是模板引起的背景.
PCR引物设计完全与模板相匹配,不覆盖任何甲基化多态性区域.使用10ng亚硫酸氢盐转化的DNA样本或是10 fmol纯化的PCR产物,10 pmol 正向（5’-GTGATTTAGTATTGG-3’）和反向（5’-biotin-AACTCTAAACCCCATC-3’）引物扩增GSTP1转录启动位点的基因片段,扩增片段长度为144bp.反应体系为60 mM Tris-SO4,pH 8.9,18 mM (NH4)2SO4,1 mM MgSO4,200 μM dNTPs,以及3 U Platinum Taq DNA高保真聚合酶,终体积为50μL.PCR循环设置：首先在95℃下变性4分钟,然后在95℃ 30S,50℃ 45S以及72℃ 20S条件下重复50个循环,最后一步延伸步骤在72℃下4分钟,中止反应.PCR反应在Eppendorf的Mastercycler 96
哺乳动物基因组中,DNA甲基化是指CpG二核苷酸中的胞嘧啶第5位碳原子被甲基化.DNA甲基化是一种基因外修饰,不改变DNA的一级结构; 他在细胞正常发育、基因表达模式以及基因组稳定性中起着至关重要的作用.全基因组低甲基化,维持甲基化模式酶的调节失控和正常非甲基化CpG岛的高甲基化是人类肿瘤中普遍存在的现象.DNA高甲基化是导致抑癌基因失活的又一个机制.