DNA甲基化是指在酶的催化下，向脱氧核糖核酸中的碱基添加甲基的过程。它改变DNA的化学性质，但不改变其原有的碱基序列。在哺乳动物中，这一过程主要产生5-甲基胞嘧啶，并参与基因表达的调控。由于甲基化模式可以在细胞分裂过程中保留下来，它是表观遗传学的重要组成部分；不过，并非所有甲基化标记都会永久保留或在世代之间遗传。甲基化的作用取决于被修饰的碱基、所在的基因组位置以及生物学背景。(genome.gov)
化学基础与基因组分布
DNA甲基化由DNA甲基转移酶催化，这些酶将甲基从S-腺苷甲硫氨酸转移到DNA碱基上。在胞嘧啶甲基化过程中，甲基连接到第五位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶，通常缩写为5mC。这是对碱基的共价修饰，而不是用一种碱基替换另一种碱基。(nature.com)
在哺乳动物DNA中，甲基化主要发生在CpG位点，即同一条链上胞嘧啶后紧接鸟嘌呤的位置。“p”表示两者之间的磷酸基团。非CpG甲基化也会发生；全基因组图谱研究在人类胚胎干细胞中发现了大量此类甲基化，并表明这些模式会随着细胞分化而改变。一个基因组中甲基化碱基的完整分布称为其甲基化组。(nature.com)
甲基化的分布并不均匀。许多重复序列和基因体区域存在甲基化，而大量CpG岛——即CpG位点密度相对较高的区域——则保持未甲基化状态。因此，甲基化测量结果只有结合其所在位置才有意义：基因体内的甲基化并不等同于转录起始区域的甲基化。(nature.com)
甲基化的建立与维持
甲基化模式的形成大体可分为两个过程。从头甲基化是在此前未甲基化的DNA上建立标记。在哺乳动物中，DNMT3A和DNMT3B是负责这一过程的主要酶。在小鼠中破坏这两种酶的基因的实验表明，它们对于发育过程中甲基化的建立至关重要，且两者的基因组靶点和发育功能存在部分差异。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
维持性甲基化是在DNA复制后保留已有的甲基化模式。复制最初形成的DNA中，亲本链可能已被甲基化，而新合成的链尚未甲基化。DNMT1有助于在新链上恢复甲基化。UHRF1蛋白质参与这一机制，并将DNA甲基化的维持与染色质特征联系起来，其中包括组蛋白H3的甲基化。这些相互作用使化学信息能够随DNA序列的复制而一同传递。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
这种复制机制有助于已分化的细胞保留其特有的基因调控状态。但这并不意味着它们的甲基化组一成不变：随着细胞发育状态的变化，甲基化的建立、维持或丢失也可能以不同方式发生。(genome.gov)
去甲基化与化学中间产物
如果维持机制未能在连续多轮复制中充分补回甲基化标记，甲基化水平就可能下降。甲基化也可以通过酶促修饰和修复过程被逆转。在哺乳动物中，TET酶会氧化5mC，最初生成5-羟甲基胞嘧啶，即5hmC。培养细胞实验和使用纯化组分的生化体系实验均证实，TET1能够催化这一反应。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
进一步氧化可生成5-甲酰胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶。胸腺嘧啶DNA糖基化酶可以去除这些修饰碱基，随后DNA修复机制将该位置恢复为未修饰的胞嘧啶。这为主动去甲基化提供了一条途径，无须仅依靠复制来稀释原有的甲基化碱基。需要注意的是，5hmC本身也是一种可测量的DNA修饰；检测到它并不能证明去甲基化已经完成。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
基因调控与发育
DNA甲基化通过改变DNA与调控蛋白之间的相互作用来影响转录（生物学）。它与组蛋白修饰及其他染色质相关机制共同发挥作用，而不是一个独立、普遍适用的开关。人类甲基化组图谱显示，甲基化与转录的关系因基因组区域和细胞类型而异。(genome.gov)
甲基化参与基因组印记，在这一现象中，某些基因的活性取决于其拷贝来自母方还是父方。甲基化也参与失活X染色体的调控以及重复DNA的沉默。通过实验破坏甲基转移酶可见，正常的甲基化模式对哺乳动物发育十分重要。(genome.gov)
普通细胞分裂过程中的传递应与生物世代之间的遗传区分开来。表观基因组的大部分会在生殖和发育过程中被重置。因此，某一标记在细胞谱系中持续存在，本身并不能证明后天获得的甲基化模式会遗传给后代。(genome.gov)
不同生物之间的差异
在植物中，胞嘧啶甲基化发生于CG、CHG和CHH序列背景，其中H代表腺嘌呤、胞嘧啶或胸腺嘧啶。不同的甲基转移酶通路参与形成这些模式。在拟南芥属（Arabidopsis）植物中，小干扰RNA参与RNA指导的DNA甲基化，将沉默机制引导至特定的基因组区域。非CG甲基化在抑制转座元件方面发挥重要作用。(nature.com)
在细菌中，甲基化的功能并不限于哺乳动物中常见的发育调控。限制—修饰系统可以将甲基化DNA与外源DNA区分开来，甲基化模式也能影响复制和基因表达。这些作用说明，DNA甲基化不应仅被定义为一种抑制基因表达的机制。(nig.ac.jp)
测量与研究结果的解读
亚硫酸氢盐测序将化学处理与DNA测序相结合，用于绘制胞嘧啶修饰图谱。未修饰的胞嘧啶会被转化为尿嘧啶，随后在测序中被读作胸腺嘧啶，而5mC仍被读作胞嘧啶。不过，常规亚硫酸氢盐测序无法区分5mC和5hmC。氧化亚硫酸氢盐测序通过在处理前选择性氧化5hmC，并比较所得测量结果，来克服这一局限。(nature.com)
甲基化研究需要关注细胞类型及基因组背景。样本之间的差异可能反映不同的细胞群体、发育状态或调控过程。癌症中也已发现甲基化改变，包括乳腺肿瘤调控区域中出现的特定模式。这些关联揭示了具有生物学意义的差异，但仅凭这些关联，无法确定甲基化变化是引发了疾病过程，还是发生在其他细胞变化之后。(nature.com)