DNA甲基化作為表觀遺傳學的重要研究領域，近年來已成為國家自然科學基金項目中的熱點研究方向。本文將系統解析DNA甲基化研究的完整流程，并提供可申報國自然基金的研究方案設計。

一、DNA甲基化概述及其國自然研究價值

DNA甲基化是指在DNA甲基轉移酶催化下，將甲基選擇性地添加到胞嘧啶堿基上的化學修飾過程，主要形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。這種修飾不改變DNA序列但能遺傳給子代細胞，在基因表達調控、基因組穩定性維持、胚胎發育和疾病發生中起關鍵作用。

圖 DNA甲基化

近年來，國家自然科學基金多項指南中明確支持DNA甲基化相關研究，特別是其在疾病機制、生物發育和進化等方面的應用。例如，2025年度國自然指南中"未來生物技術"原創探索計劃項目將"表觀編輯模塊對染色質局部拓撲結構的定向調控"列為重點資助方向。

以下表格總結了DNA甲基化研究在國自然基金中的重點支持領域：

二、DNA甲基化研究完整技術路線

1、研究假設構建與基因篩選

成功的國自然項目始于創新性科學假設的提出。一個典型的DNA甲基化研究假設可采用以下模式："DNA甲基化酶/去甲基化酶A通過調控基因B的甲基化狀態，經由C信號通路影響D疾病的病理進程"。

基因篩選方法：

生信數據挖掘：利用TCGA、GEO等公共數據庫分析差異甲基化區域；

eQTL/pQTL分析：識別甲基化數量性狀位點與基因表達的關聯；

預實驗驗證：通過硫化測序、qRT-PCR和Western blot初步驗證目標基因。

2、樣本采集與處理

基于研究目的不同，樣本類型包括組織樣本、血液樣本、細胞系等。例如，東昌府區國自然項目對1500名居民完成調查問卷、血樣采集和DR胸片篩查，收集1499份血樣進行甲基化分析。

樣本處理需注意：

DNA提取質量：保證DNA完整性和純度；

bisulfite轉化效率：確保未甲基化胞嘧啶wan全轉化；

表觀遺傳異質性：考慮細胞類型特異性甲基化模式。

3、DNA甲基化檢測技術

1）全基因組甲基化分析

亞硫酸氫鹽測序是金標準方法。其原理是通過重亞硫酸鹽處理DNA，將未甲基化的胞嘧啶轉化為尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶保持不變，再通過高通量測序識別甲基化位點。

流程：

基因組DNA → 重亞硫酸鹽處理 → PCR擴增 → 測序 → 甲基化位點識別

2）靶向甲基化分析

針對特定基因區域，可采用：

焦磷酸測序：提供定量甲基化數據；

甲基化特異性PCR：快速檢測特定CpG位點；

靶向捕獲甲基化測序：高效分析目標區域。

3）新興檢測技術

單細胞甲基化測序：揭示細胞異質性；

羥甲基化分析：區分5mC和5hmC；

長讀長測序：檢測等位基因特異性甲基化。

4、功能驗證實驗

1）體外實驗

甲基化編輯：利用dCas9-DNMT3A/TET系統精準調控特定位點甲基化狀態；

報告基因實驗：驗證甲基化對啟動子活性的影響；

細胞模型：過表達/敲低甲基化相關酶研究功能效應。

2）體內實驗

基因修飾動物模型：研究特定甲基化改變在整體水平的影響；

表觀遺傳藥物處理：評估DNMT抑制劑等藥物的治療效果。

三、數據整合與分析策略

1、多組學整合分析

現代DNA甲基化研究強調多組學整合，包括：

甲基化組與轉錄組：關聯甲基化變化與基因表達；

甲基化組與基因組：研究遺傳-表觀遺傳交互作用；

甲基化組與蛋白質組：探索最終表型影響。

華南師范大學團隊在家蠶和人類細胞研究中，聯合G4組學、甲基化修飾組學、染色質開放組學和轉錄組學等多組學分析，揭示了DNA甲基化修飾與G4結構協同調控基因轉錄的分子機制。

2、表觀遺傳網絡分析

高級分析包括：

甲基化與3D基因組結構：研究染色質構象與甲基化的相互關系；

甲基化與組蛋白修飾交叉對話：分析多種表觀標記的協同作用；

時間動態分析：追蹤發育或疾病進程中甲基化模式的演變。

四、典型案例分析

1、疾病機制研究案例

一項關于2型糖尿病與心血管疾病共病機制的研究發現，DNA甲基化作為關鍵表觀遺傳機制連接代謝紊亂與血管損傷。具體發現包括：

TXNIP基因cg19693031位點甲基化與太平洋島民T2D患者急性冠脈綜合征相關；

PTEN啟動子低甲基化通過PI3K/AKT信號失調加劇胰島素抵抗和心肌梗死風險；

ABCA1/ABCG1甲基化異常導致膽固醇逆向運輸障礙。

2、分子機制研究案例

華南師范大學團隊發現，DNA甲基化與G-四鏈體結構形成存在顯著負相關性。他們通過多組學分析發現：

增加基因組DNA 5mC甲基化修飾顯著抑制基因組G4結構形成；

敲低DNA甲基轉移酶基因降低甲基化水平，使G4結構增加；

提出了DNA甲基化和G4結構協同調控基因轉錄的分子模型。

五、總結與展望

DNA甲基化研究正朝著更精準、更動態、更整合的方向發展。未來趨勢包括：

單細胞多組學：解析細胞異質性與表觀遺傳關系；

動態監測技術：實時跟蹤甲基化變化；

空間表觀遺傳學：在組織原位檢測甲基化模式；

人工智能應用：利用AI預測甲基化模式與基因表達關系。

國家自然科學基金持續支持DNA甲基化研究，特別是在交叉學科和創新技術方法方面。研究者應關注基金指南方向，結合自身研究基礎，提出既有創新性又有科學價值的研究方案。

DNA甲基化研究：

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