结构生物化学/酶调节/甲基化
甲基化是一个调节过程，可以阻止某些过程的发生，例如降解或催化。在细菌的限制修饰系统中，细菌 DNA 通过甲基化酶在腺嘌呤碱基处进行甲基化，从而阻止 DNA 被限制性内切酶降解。这些限制性内切酶具有识别 DNA 中特定氨基酸基构象的活性位点。这些酶可以结合并切割识别到的（同源）DNA 的骨架磷酸二酯键。甲基化基团与酶的氢键连接减少一个，因此降低了结合能，导致酶亲和力降低，没有切割。
甲基化也发生在氨基酸合成和基因表达中。在后者中，胞嘧啶在 C5 处被甲基化。这种 5-甲基胞嘧啶干扰了与启动转录结合的蛋白质。在氨基酸合成中，甲基化酶和其他甲基基团载体连接甲基基团。
真核细胞 DNA 通常储存在细胞核中，被染色质包裹，染色质是组蛋白八聚体。染色质是细胞遗传修饰的关键部分，它在酶的帮助下进行适当的修饰，以对细胞、DNA、RNA 和蛋白质进行合适的改变，例如转录修饰，甚至基因的完全失活。这些染色质组蛋白机制修饰之一可以是对 DNA 甲基化机制的直接改变，这是一种表观遗传机制。适当的 DNA 甲基化对细胞的正常功能至关重要，因为没有甲基化（甚至过多的甲基化（高甲基化）或甲基化不足）会导致严重的疾病，例如致癌癌细胞的产生。
向 DNA 添加甲基的酶被称为 **DNA 甲基转移酶**。DNA 甲基转移酶的机制因生物体而异，但该酶通常在沿着 DNA 链移动以找到要甲基化的特定序列之前非特异性地结合。如上所述，DNA 的甲基化是为了使细胞能够区分外源 DNA 和感染性 DNA，并用于基因表达目的。但对错误序列的甲基化会导致染色体问题，包括与组蛋白的不利相互作用，组蛋白对于染色体的正确折叠至关重要。因此，这些酶具有高度特异性。DNA 甲基转移酶存在于大多数生物体中，包括哺乳动物。
甲基转移酶与内切酶一起，将甲基基团连接到特定序列，内切酶必须扫描要切割的 DNA 序列。甲基转移酶属于几种不同类型的酶，具有不同的功能。尽管它们的结构域位点可能在结构上存在差异，但 DNMT3 与 DNMT1 相似，包含连接到催化结构域的调节区域。在类型中，还有亚类别可以介导非依赖甲基化的基因抑制。其他可能用于基因组印记。有些酶可能严格甲基化 RNA 而不是 DNA。DNMT1 识别甲基化基团，并在标记的核苷酸之间执行亲核攻击。
在基因表达方面，甲基化非常重要。并非所有基因在所有时候都处于活跃状态，这就是为什么 DNA 甲基化是细胞控制基因表达的多种机制之一。尽管真核生物中基因表达的方式有很多，但 DNA 甲基化是一种常见的表观遗传信号工具，可以使细胞将基因锁定在关闭位置。需要关键实验才能提供关于甲基化在基因表达中的作用的早期线索。其中一个实验是由 McGhee 和 Ginder 于 1979 年进行的，他们在表达和不表达该基因的细胞中比较了 β-珠蛋白基因座的甲基化状态。通过使用能够区分甲基化和未甲基化 DNA 的限制性内切酶，两位科学家能够确定 β-珠蛋白基因座基因在未甲基化的细胞中没有被表达。除了这个实验，更多支持证据也表明了同样的结论。在小鼠细胞中，对 5-氮胞苷进行了相同的机制，5-氮胞苷是核苷胞苷的化学类似物。在这个实验中发现了类似的观察结果，即核苷上未甲基化的胞嘧啶残基阻止了基因表达。
DNA 甲基化是在 DNA 中的胞嘧啶的第 5 个碳上添加一个甲基基团，形成共价键。这种机制由 DNMT（DNA 甲基转移酶）催化，利用 CpG 二核苷酸序列。通常未甲基化的 CpG 具有较高的 GC 碱基浓度，并且聚集在一起，形成 CpG 岛，通常位于转录起始位点和启动子结合位点。已知 CGI 启动子处的 DNA 甲基化会导致基因表达沉默，例如 X 染色体和基因组印记等机制的沉默。DNA 甲基化可以通过多种机制使 DNA 沉默，例如利用 5meC 抑制转录因子的结合，或使用甲基结合域蛋白 (MDB) 来使用抑制性染色质修饰复合物抑制 DNA。总的来说，DNA 甲基化负责真核生物遗传序列的重要细胞功能，例如遗传修饰甚至沉默。
既然已经了解到 DNA 甲基化是基因表达的关键，那么问题就变成了基因上的哪个位置必须发生甲基化才能诱导表达。今天，研究人员知道 DNA 甲基化主要发生在真核 DNA 的胞嘧啶碱基上，这些碱基通过 DNA 甲基转移酶 (DNMT) 酶被转化为 5-甲基胞嘧啶。这些改变的胞嘧啶残基通常与鸟嘌呤核苷酸相邻（由于碱基配对机制），这实质上导致两个甲基化的胞嘧啶残基在相反的 DNA 链上呈对角线位置。
DNA 甲基化的作用和靶标在生物体王国之间有所不同。例如，在动物界中，哺乳动物往往具有如上所述的分布式 CpG 甲基化模式，但在无脊椎动物中，发现了镶嵌的甲基化模式，其中重度甲基化的 DNA 区域与非甲基化区域交织在一起。换句话说，在这个物种王国中没有看到明确的模式。还应该注意的是，令人惊讶的是，植物界是发现甲基化程度最高的生物体，高达 50% 的胞嘧啶残基经历甲基化。
当人们考虑到 DNA 甲基化对基因表达的重要程度时，人们还必须询问甲基化错误的后果以及这些错误会导致什么。甲基化错误会导致许多毁灭性的后果，包括与肿瘤抑制基因相关的各种疾病。研究发现，肿瘤抑制基因在癌细胞中经常关闭，这是由于胞嘧啶残基的高甲基化。在其他非常关键的基因表达中也发现了高甲基化，例如在细胞周期调节基因、肿瘤细胞侵袭基因、DNA 修复基因以及涉及转移扩散的其他基因中。此外，癌细胞的基因组与正常健康细胞相比，也显示出甲基化减少或低甲基化（除了上述基因中发现的高甲基化）。低甲基化和高甲基化的组合描述了癌细胞的强大本质。
使用亚硫酸氢盐对 DNA 进行测序，可以分析活跃基因中的 DNA 甲基化，包括附着在 DNA 上的甲基。亚硫酸氢盐测序发现，CpG 甲基化发生在活跃基因中，且位于转录起始位点下游较远处（只要甲基化没有沉默基因）。这些发现表明，DNA 甲基化可以在各种启动子（如人类 X 染色体，它具有许多可转录区域）中发生。由于亚硫酸氢盐测序是无偏的，它也显示了甲基化和非甲基化 CpG 位点，表明：在 MeDIP-Seq 和 MRE-Seq 中，大多数启动子存在着大量的非甲基化 CpG 位点。
McGhee, J. D., & Ginder, G. D. 鸡 β-珠蛋白基因附近特异性 DNA 甲基化位点。自然 280, 419–420 (1979)
生物化学 第 6 版，Berg 等人。