結構生物化學/酶調節/甲基化
甲基化是一個調節過程，可以阻止某些過程的發生，例如降解或催化。在細菌的限制修飾系統中，細菌 DNA 透過甲基化酶在腺嘌呤鹼基處進行甲基化，從而阻止 DNA 被限制性內切酶降解。這些限制性內切酶具有識別 DNA 中特定氨基酸基構象的活性位點。這些酶可以結合並切割識別到的（同源）DNA 的骨架磷酸二酯鍵。甲基化基團與酶的氫鍵連線減少一個，因此降低了結合能，導致酶親和力降低，沒有切割。
甲基化也發生在氨基酸合成和基因表達中。在後者中，胞嘧啶在 C5 處被甲基化。這種 5-甲基胞嘧啶干擾了與啟動轉錄結合的蛋白質。在氨基酸合成中，甲基化酶和其他甲基基團載體連線甲基基團。
真核細胞 DNA 通常儲存在細胞核中，被染色質包裹，染色質是組蛋白八聚體。染色質是細胞遺傳修飾的關鍵部分，它在酶的幫助下進行適當的修飾，以對細胞、DNA、RNA 和蛋白質進行合適的改變，例如轉錄修飾，甚至基因的完全失活。這些染色質組蛋白機制修飾之一可以是對 DNA 甲基化機制的直接改變，這是一種表觀遺傳機制。適當的 DNA 甲基化對細胞的正常功能至關重要，因為沒有甲基化（甚至過多的甲基化（高甲基化）或甲基化不足）會導致嚴重的疾病，例如致癌癌細胞的產生。
向 DNA 新增甲基的酶被稱為 **DNA 甲基轉移酶**。DNA 甲基轉移酶的機制因生物體而異，但該酶通常在沿著 DNA 鏈移動以找到要甲基化的特定序列之前非特異性地結合。如上所述，DNA 的甲基化是為了使細胞能夠區分外源 DNA 和感染性 DNA，並用於基因表達目的。但對錯誤序列的甲基化會導致染色體問題，包括與組蛋白的不利相互作用，組蛋白對於染色體的正確摺疊至關重要。因此，這些酶具有高度特異性。DNA 甲基轉移酶存在於大多數生物體中，包括哺乳動物。
甲基轉移酶與內切酶一起，將甲基基團連線到特定序列，內切酶必須掃描要切割的 DNA 序列。甲基轉移酶屬於幾種不同型別的酶，具有不同的功能。儘管它們的結構域位點可能在結構上存在差異，但 DNMT3 與 DNMT1 相似，包含連線到催化結構域的調節區域。在型別中，還有亞類別可以介導非依賴甲基化的基因抑制。其他可能用於基因組印記。有些酶可能嚴格甲基化 RNA 而不是 DNA。DNMT1 識別甲基化基團，並在標記的核苷酸之間執行親核攻擊。
在基因表達方面，甲基化非常重要。並非所有基因在所有時候都處於活躍狀態，這就是為什麼 DNA 甲基化是細胞控制基因表達的多種機制之一。儘管真核生物中基因表達的方式有很多，但 DNA 甲基化是一種常見的表觀遺傳訊號工具，可以使細胞將基因鎖定在關閉位置。需要關鍵實驗才能提供關於甲基化在基因表達中的作用的早期線索。其中一個實驗是由 McGhee 和 Ginder 於 1979 年進行的，他們在表達和不表達該基因的細胞中比較了 β-珠蛋白基因座的甲基化狀態。透過使用能夠區分甲基化和未甲基化 DNA 的限制性內切酶，兩位科學家能夠確定 β-珠蛋白基因座基因在未甲基化的細胞中沒有被表達。除了這個實驗，更多支援證據也表明了同樣的結論。在小鼠細胞中，對 5-氮胞苷進行了相同的機制，5-氮胞苷是核苷胞苷的化學類似物。在這個實驗中發現了類似的觀察結果，即核苷上未甲基化的胞嘧啶殘基阻止了基因表達。
DNA 甲基化是在 DNA 中的胞嘧啶的第 5 個碳上新增一個甲基基團，形成共價鍵。這種機制由 DNMT（DNA 甲基轉移酶）催化，利用 CpG 二核苷酸序列。通常未甲基化的 CpG 具有較高的 GC 鹼基濃度，並且聚集在一起，形成 CpG 島，通常位於轉錄起始位點和啟動子結合位點。已知 CGI 啟動子處的 DNA 甲基化會導致基因表達沉默，例如 X 染色體和基因組印記等機制的沉默。DNA 甲基化可以透過多種機制使 DNA 沉默，例如利用 5meC 抑制轉錄因子的結合，或使用甲基結合域蛋白 (MDB) 來使用抑制性染色質修飾複合物抑制 DNA。總的來說，DNA 甲基化負責真核生物遺傳序列的重要細胞功能，例如遺傳修飾甚至沉默。
既然已經瞭解到 DNA 甲基化是基因表達的關鍵，那麼問題就變成了基因上的哪個位置必須發生甲基化才能誘導表達。今天，研究人員知道 DNA 甲基化主要發生在真核 DNA 的胞嘧啶鹼基上，這些鹼基透過 DNA 甲基轉移酶 (DNMT) 酶被轉化為 5-甲基胞嘧啶。這些改變的胞嘧啶殘基通常與鳥嘌呤核苷酸相鄰（由於鹼基配對機制），這實質上導致兩個甲基化的胞嘧啶殘基在相反的 DNA 鏈上呈對角線位置。
DNA 甲基化的作用和靶標在生物體王國之間有所不同。例如，在動物界中，哺乳動物往往具有如上所述的分散式 CpG 甲基化模式，但在無脊椎動物中，發現了鑲嵌的甲基化模式，其中重度甲基化的 DNA 區域與非甲基化區域交織在一起。換句話說，在這個物種王國中沒有看到明確的模式。還應該注意的是，令人驚訝的是，植物界是發現甲基化程度最高的生物體，高達 50% 的胞嘧啶殘基經歷甲基化。
當人們考慮到 DNA 甲基化對基因表達的重要程度時，人們還必須詢問甲基化錯誤的後果以及這些錯誤會導致什麼。甲基化錯誤會導致許多毀滅性的後果，包括與腫瘤抑制基因相關的各種疾病。研究發現，腫瘤抑制基因在癌細胞中經常關閉，這是由於胞嘧啶殘基的高甲基化。在其他非常關鍵的基因表達中也發現了高甲基化，例如在細胞週期調節基因、腫瘤細胞侵襲基因、DNA 修復基因以及涉及轉移擴散的其他基因中。此外，癌細胞的基因組與正常健康細胞相比，也顯示出甲基化減少或低甲基化（除了上述基因中發現的高甲基化）。低甲基化和高甲基化的組合描述了癌細胞的強大本質。
使用亞硫酸氫鹽對 DNA 進行測序，可以分析活躍基因中的 DNA 甲基化，包括附著在 DNA 上的甲基。亞硫酸氫鹽測序發現，CpG 甲基化發生在活躍基因中，且位於轉錄起始位點下游較遠處（只要甲基化沒有沉默基因）。這些發現表明，DNA 甲基化可以在各種啟動子（如人類 X 染色體，它具有許多可轉錄區域）中發生。由於亞硫酸氫鹽測序是無偏的，它也顯示了甲基化和非甲基化 CpG 位點，表明：在 MeDIP-Seq 和 MRE-Seq 中，大多數啟動子存在著大量的非甲基化 CpG 位點。
McGhee, J. D., & Ginder, G. D. 雞 β-珠蛋白基因附近特異性 DNA 甲基化位點。自然 280, 419–420 (1979)
生物化學 第 6 版，Berg 等人。