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DNA甲基化和组蛋白修饰是表观遗传调控两个重要的方面。DNA甲基化和组蛋白H3K4甲基化与基因的转录调控有密切关联，前者导致基因沉默，而后者激活转录表达。在此过程中起始性DNA甲基转移酶Dnmt3a和Dnmt3b起着重要的作用，然而目前基因组DNA甲基化谱式建立的机制基本不清楚。近年的研究表明，在哺乳动物细胞中DNA和H3K4甲基化在染色质上呈现互斥分布。Dnmt3L是目前已知的唯一的起始性甲基转移酶的正调控因子，而且能结合K4位点未甲基化的组蛋白H3。因此，组蛋白H3K4甲基化修饰如何通过Dnmt3L来调控DNA甲基化是十分值得深入研究的问题。我们围绕此问题对起始性DNA甲基化发生的机制做了较深入的研究。
我们选择芽殖酵母（Saccharomyces cereriaiae）作为研究系统，发现外源表达哺乳动物DNA甲基转移酶Dnrnt3a能使酵母基因组上0.06％的胞嘧啶发生甲基化，Dnmt3L共表达则使甲基化程度提高10倍。对酵母组蛋白不同区域进行缺失突变发现，H3的N端尾巴第1-4位氨基酸残基对于Dnmt3a-Dnmt3L行使的DNA甲基化是必须的，并且第四位赖氨酸的点突变会破坏DNA甲基化。H3K4甲基化酶复合物中关键亚基的敲除导致DNA甲基化程度显著升高。ChiP-on-chip和MMeDIP chip结果显示DNA与H3K4甲基化在酵母基因组上的分布呈反向关系。Dnmt3L的PHD结构域突变使其失去与H3的结合能力，也丧失使Dnmt3a甲基化能力提高的功能；而Dnmt3L结合Dnmt3a并刺激其酶活的位点突变后，仍能观察到未降低的DNA甲基化，这证实了未甲基化H3K4以及Dnmt3L对于Dnmt3a行使DNA甲基化功能的靶向作用，也提示Dnmt3L的功能与对Dnmt3a的活性刺激无关。在ES细胞体外分化系统中，我们发现Dnrnt3L参与自身启动子的甲基化，并且其PHD结构域是这个过程中的必要因素。这部分结果揭示了Dnmt3a-Dnmt3L介导的起始性DNA甲基化发生的机理，Dnmt3a甲基化的功能需要Dnmt3L参与，通过其识别K4未甲基化的组蛋白H3尾巴结合到染色质上才能有效实现。
对Dnmt3b进行初步研究后，我们发现Dnmt3b行使DNA甲基化的作用机制可能与Dnmt3a不同，外源Dnmt3b使酵母基因组发生1.0%的DNA甲基化，H3K4甲基化被完全抹除后DNA甲基化水平无明显改变，并且H3的N端尾巴对于Dnmt3b行使的甲基化不是必须的。我们前期工作发现Dnmt3a、Dnmt3b和Dnmt3L都参与Dnmt3L的启动子甲基化，其中Dnmt3b是主要的甲基转移酶。在ICF综合症的小鼠模型中，Dnmt3L的启动子处于严重低甲基化状态。这一现象在ICF病人样品中也存在，尽管没有那么严重。关于Dnmt3b的研究还在继续，以期解释我们观察到Dnmt3a与Dnmt3b的不同之处，有助于深入了解起始性DNA甲基化发生的机理。
本研究首次从功能上揭示了组蛋白H3K4甲基化与DNA甲基化之间的直接联系，并阐述了Dnmt3a、Dnmt3b和Dnmt3L在起始性DNA甲基化发生过程中各自的功能。本文最大的创新在于利用酵母来探索DNA甲基化发生机制，为这一领域的研究开辟了新的天地。