遗传信息由四个碱基腺嘌呤(a)、鸟嘌呤(g)、凯发k8娱乐-凯发k8一触即发(c)和胸腺嘧啶(t)编码。通过dna双螺旋碱基堆栈中的同源对a-t和c-g之间的氢键进行碱基配对，为遗传密码提供了分子基础。很明显，dna内还有其他编码功能的分子机制。大沟和小沟各自表现出氢键模式，其使得dna双螺旋的初始序列能够在不被解绕的前提下被读取，这对于序列依赖性事件(例如转录因子的结合)是非常重要的。此外，对规范碱基存在依赖于酶的化学修饰，这些修饰有可能动态地改变dna的结构、识别和功能。自然发生的dna碱基修饰的例子如图1所示。有些生物体的基因组表现出相当程度的化学修饰碱基，例如在噬菌体中，四个碱基中的所有或大部分碱基通常被修饰的碱基取代。
图1.噬菌体dna中修饰碱基的结构：(a)α-嘌呤基胸腺嘧啶，(b)5-二羟基戊基尿嘧啶，(c)α-谷氨酰胸腺嘧啶和(d)2-氨基腺嘌呤。
基因组中修饰碱基的生物合成途径可以发生在随后通过聚合酶介导的dna合成或dna内规范碱基的dna合成后结合的修饰单核苷酸水平。修饰碱基在噬菌体dna中的功能包括对宿主和噬菌体核酸酶的保护，信号传递dna的转录和复制，以及促进dna的包装。
真核生物似乎包含一个较少的dna碱基修饰。5-甲基胞嘧啶(5mc)是研究最多的dna碱基修饰。它在胞嘧啶碱基的5-位上含有一个甲基，它突出到dna的主要沟槽中，在不改变沃森-克里克碱基配对的情况下为蛋白质结合提供了潜在的识别位点(或障碍)。这种c的化学衍生物对细胞有功能后果，最明显的是在基因表达的控制方面。研究由5mc中的动态变化介导的基因表达的可遗传变化，而不改变初级dna序列，是表观遗传学领域的一个主要方面。鉴于表观遗传变化对发育生物学和人类疾病的许多领域(包括癌症和代谢性疾病)至关重要，因此阐明引起和源于dna碱基化学修饰的潜在机制非常重要。
在哺乳动物中，5mc最先在20世纪40年代末被发现，并被发现在维持细胞功能和基因组稳定性方面起着至关重要的作用，包括雌性哺乳动物中两条x染色体之一的失活过程，基因组印记使基因以依赖于起源父母的方式表达；以及称为转座子的可移动遗传元件的沉默。一种称为dna甲基转移酶(dnmts)的酶家族已知负责基因组中5mc的产生和维持。5mc形成的标准机制包括dnmt中c6位半胱氨酸残基的初始亲核攻击和c5对甲基的亲核攻击。来自s-腺苷甲硫氨酸(sam)的供体，然后消除以恢复基础中的芳香性(图2)。
图2.dnmt和辅助因子sam对胞嘧啶甲基化的机制。
哺乳动物甲基化的功能取决于基因组内修饰的背景。基因沉默与转录起始位点(tss)附近富含c-g二聚体的cpg岛(cgi)以及长期沉默基因中的第一个外显子之间存在强烈的正相关。在基因内部，活性x染色体上的活性转录与基因体甲基化之间存在正相关。研究还表明，基因体中的dna甲基化可能在调节选择性剪接中发挥作用。
在20世纪70年代，两篇论文表明哺乳动物含有非常高水平的另一种胞嘧啶修饰，5-羟甲基胞嘧啶(5hmc)；高达所有c碱基的25%。然而，其他人不能证实这些结果，并且5hmc被广泛认为是一种潜在的dna损伤产品。2009年，在“科学”杂志上发表了两项研究，证明了5hmc在小鼠脑和胚胎干细胞(es)中的存在。此外，tahiliani等人。表明ten-11易位1(tet1)，2-氧代戊二酸(2-og)和fe(ii)依赖性双加氧酶，可以催化5mc向5hmc的转化(图3)。
图3. 2-氧代戊二酸(2-og)和fe(ii)催化tet氧化的机理。
全基因组实验已将5hmc的位置映射到启动子区域、转录起始位点和基因体。在胚胎干细胞中，5hmc也富集在发育基因上，这些基因可以随时改变转录活性。
在2011年，通过薄层色谱和串联液相色谱-质谱联用技术，在小鼠es细胞和大脑皮层中检测到5-甲酰胞嘧啶(5fc)，在小鼠es细胞中检测到5-羧胞嘧啶(5cac)。通过质谱对消化成核苷的dna进行定量分析表明，es细胞的基因组dna中含有5fc，相对含量约为0.2%。g和5cac的水平比5fc低10倍。在哺乳动物的脑组织中，发现5fc的水平比5hmc低2-3和5cac 3-4个数量级。几项研究已经绘制了5fc和5cac在小鼠es细胞基因组中的位置。此外，单碱基分辨率5fc测序方法已经能够实现胚胎干细胞中5mc，5hmc和5fc的单碱基分辨率基因组图谱。
哺乳动物dna中5hmc、5fc和5cac的发现提高了阐明它们功能的必要性。一种流行的假设是，这种氧化胞嘧啶修饰构成了导致活性dna去甲基化的途径的一部分。
去甲基化有几种可能的途径：其中一种机制是tet家族酶反复氧化5mc，然后进行碱基切除修复或去甲酰化/脱羧作用。活性去甲基化的一个潜在机制是通过胸腺嘧啶dna糖基化酶(tdg)酶，它可以从dna中去除5fc和5cac，但不能去除5mc或5hmc。碱基切除后，基性位点将通过碱基切除修复(ber)途径修复。脱羧酶也有可能直接从5cac中去除羧基(图4)。
图4. dna去甲基化的潜在途径。
从过去五年的工作中可以明显看出，酶介导的dna胞嘧啶化学修饰已成为科学研究的一个重要领域。
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