甲基化芯片在表观遗传学中的应用

表观遗传改变可以定义为基因的遗传性或获得性改变，但是这种改变和DNA序列改变无关。DNA甲基化是最为常见的表观遗传改变；启动子或第一外显子CpG岛中的甲基化改变将导致基因表达失活；组蛋白的化学修饰也可以作为表观遗传改变；组蛋白发生乙酰化改变的基因通常被开启。

CpG岛的异常甲基化是导致基因沉默和过度表达的最主要的改变，常规的方法不能在全基因组水平上对甲基化进行检查。表观遗传分析与基因芯片技术结合起来则可以高通量进行甲基化的定性、定量分析。

目前建立了2种基于芯片的甲基化分析方法：一个是甲基化特异寡核苷酸芯片(methylation specific oligonucleotide arrays，MSO)方法，另一个是差异甲基化杂交法(differential methylation hybridization method，DMH)。第一种方法利用直接杂交原理，只是在标记前先用亚硫酸氢钠处理DNA，从而使所有未甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶并不受该处理的影响，仍旧为胞嘧啶。这种方法一般针对已知个别基因的调控区进行研究，不能对大量基因尤其是未知基因的甲基化分析。

DMH法是一种崭新的方法，为大规模研究CpG岛甲基化谱提供了高通量的技术平台。DMH法和表达谱基因芯片类似，只是靶基因和探针制备方法比cDNA表达谱芯片更复杂。DMH方法最初是基于CpG岛(CGl)文库建立的。Cross等构建了含有甲基化CpG结合域的亲和基质(affinity matrix)，从人类基因组DNA中分离出CpG岛序列。限制性内切酶MseI能将DNA消化为小片段，但是对绝大部分CpG岛序列没有作用。用亲和柱将富含GC的MseI处理片段分离出来，克隆人载体中构建文库。预先筛选CpG岛克隆使之具有多个BstUI酶切位点，扩增后的片段用于芯片的制备。从实验样本中提取基因组DNA，用MseI处理。酶切后的探针能够和CGI文库中的Mse工处理靶基因结合。酶切后的富含GC的片段接上接头(1inker)，然后用甲基化敏感性内切酶BstUI处理，BstUI处理的和未处理的对照DNA进行linker—PCR和荧光标记。以后的杂交、图像和数据处理过程与表达谱芯片完全一样。

最初，DMH应用于尼龙膜对人类乳腺癌细胞系中的CpG岛进行分析，后来被应用于玻璃芯片以提高检测通量。在对乳腺癌的表观遗传学改变分析中发现，CpG岛的过甲基化可以导致抑癌基因的沉默，以及在一些细胞表现下调。通常，低分化的肿瘤组织比中度分化或分化良好的正常组织表现更高的甲基化程度。

DMH已经成功应用于检测卵巢癌的甲基化谱。较之卵巢癌细胞系，在卵巢癌组织样本中可见更多的甲基化CpG岛。Ottaviano等通过评估位于人ERa基因第1个外显子的CpG岛甲基化状态，鉴定了MS()策略的可行性。MSO芯片实验结果和传统的DNA印迹和亚硫酸盐序列分析甲基化的方法结果一致。Rober等用这个技术研究肿瘤抑制基因p16的启动子区域，这个基因在许多肿瘤中高甲基化。这个启动子的高甲基化抑制了p16的转录，与一些肿瘤相关；他们发现p16的启动子区域在H1299细胞株的CpG位点均一的甲基化。

不同的甲基化谱反映了肿瘤的不同阶段或不同类型。CpG岛的高甲基化位点与肿瘤发生相关，因此可以作为特定肿瘤亚型独特的后天标记。因此，就像基因表达谱，基于甲基化谱的聚类分析也可以用于分析肿瘤的亚型。这些基础研究具有潜在的应用价值，应用研究的方向包括对肿瘤相关的DNA甲基化模式为基础的辅助诊断方法的研发和通过抑制肿瘤细胞的DNA甲基化的或组蛋白去乙酰基化的方法及药物来治疗肿瘤。