表观遗传学

摘要： 本文着重介绍分析DNA甲基化的表观遗传学分子生物学软件,如：MethPrimer、BiSearch、BioToolKit300 - Primo MSP 3.4、CpG Ware、CpGPlot/CpGReport/Isochore等等.
第一类：基于引物设计功能的软件.此类软件主要是针对重亚硫酸盐序列进行甲基化特异性PCR（methylation-specific PCR, MS-PCR or MSP）和重亚硫酸盐测序（bisulfite sequencing, BS）引物的设计.由于重亚酸盐修饰的特殊性,使常规的分子生物学软件,如Primer Premier、Oligo、DNASis、DNA Max、Vecter NTI Suit等均无法适用于MSP和BS引物的设计.国外的研究者根据MSP和BS的特殊性,分别提供了多种免费或付费的专业软件,其中,某些软件,如MethPrimer已被国内外研究者广泛使用.
软件：MethPrimer
主页：cuturl('http://www.urogene.org/methprimer')
简介：设计甲基化特异性PCR（methylation-specific PCR, MS-PCR or MSP）和重亚硫酸盐测序（bisulfite sequencing）引物的最早和最经典的软件,也是一款免费软件,它广受表观遗传学研究者的喜爱,也是DNA甲基化研究者使用最频繁的一款表观遗传学DNA甲基化研究工具软件.就本人及同事的使用经验而言,该软件所设计的引物扩增效率和特异性均非常好,不过,在实际应用中,如果能配合Primer Premier软件对引物的Tm值进行适当的调整或修改,可进一步提高PCR的扩增效率.此外,此款软件在进行引物设计的过程中,会自动对待分析序列的CpG岛进行分析,它所得到的结果与其它几款CpG岛专业分析软件（见下）一致.当然,如果用户只想对CpG岛的分析和密度进行分析时,可选择其它CpG岛专业分析软件.
文献：Li LC, Dahiya R. MethPrimer: designing primers for methylation PCRs. Bioinformatics. 2002 Nov;18(11):1427-31.
评级：★★★★★

软件：BiSearch
主页：cuturl('http://bisearch.enzim.hu/')
简介：与MethPrimer类似的专用于重亚硫酸盐修饰序列相关PCR或测序引物设计的.要使用其功能,需要在其网站注册后使用.由于本人并不是很了解该软件,且并未将其与MethPrimer进行比较过,因此,其功能如何,尚不能断言.
文献：Tusnady GE, Simon I, Varadi A, Aranyi T. BiSearch: primer-design and search tool for PCR on bisulfite-treated genomes. Nucleic Acids Res. 2005 Jan 13;33(1):e9 (PMID: 15653630)
推荐：★★★★★

软件：BioToolKit300 - Primo MSP 3.4
主页：cuturl('http://www.changbioscience.com/')
简介：BioToolKit300是一款基于Java语言的分子生物学软件,支持Windows NT / XP和Mac OSX等操作系统,其试用版仅有60天试用期.该软件是集各种常用分子生物学应用工具之大全的工具软件,十分的实用.Primo MSP 3.4是内嵌于BioToolKit300中的MS-PCR和重亚硫酸盐测序引物设计软件.如果设计标准的PCR引物,则使用BioToolKit300中的Primo Pro 3.4即可.
论坛上相关贴子的地址：cuturl('http://bbs.bioon.com/dispbbs.asp?BoardID=25&ID=130360')
推荐：★★★☆☆

软件：CpG Ware
主页：cuturl('https://apps.serologicals.com/cpgware/')
简介：是一款类似于MethPrimer的MS-PCR和重亚硫酸盐测序引物设计的软件.不过,需要付费使用（关于此点,本人并不是很确定）
推荐：★★★☆☆

第二类：CpG岛序列分析软件.此类软件根据一定的规则对基因组DNA序列的CpG岛进行预测.CpG岛的准确预测是进行MSP和BS引物设计的基础.不过,在第一类软件中往往也包括了CpG岛的分析与预测功能.

软件：CpGPlot/CpGReport/Isochore
主页：cuturl('http://www.ebi.ac.uk/emboss/cpgplot/')
简介：由欧洲EBI网站提供的基因组DNA序列CpG岛分析软件,单凭EBI的名气,想必大家对其功能平添几分信任度吧？
推荐：★★★★★

软件：CpGProD
主页：cuturl('http://pbil.univ-lyon1.fr/software/cpgprod_query.html')
简介：CpGProD也是一款专门针对哺乳动物基因组DNA序列CpG岛进行分析的在线软件,其特点和功能类似于上述介绍的EBI网站的相关软件.
推荐：★★★★☆

软件：CpG Island Searcher
主页：cuturl('http://www.cpgislands.com/')；cuturl('http://cpgislands.usc.edu/')
简介：基因组DNA序列CpG岛进行分析的在线软件,其特点和功能类似于上述介绍的EBI网站的相关软件.
文献：Takai D, Jones PA. The CpG island searcher: a new WWW resource. In Silico Biol. 2003;3(3):235-40 (PMID: 12954087)
推荐：★★★★☆

第三类：CpG位点甲基化状态作图软件.此类软件以重亚硫酸盐测序结果为基础,以线图或点图形式表现每个CpG位点的甲基状态（或发生频率）,从而为不同疾病状态的的DNA甲基化特异性图谱提供直接实验依据.
软件：MethTools
主页：cuturl('http://genome.imb-jena.de/methtools/')
简介：是一款对DNA重亚硫酸盐测序结果进行分析的免费工具软件,它可将CpG位点的甲基化状态分别以实心点和空白点的形式表示全甲基化和半甲基化状态,很多发表的文章在对CpG位点的甲基化谱进行图谱绘制时均采用此工具软件.不过,尽管此软件是免费软件,它仅提供基于Linux、Unix或苹果机操作系统,因此,对国内主要使用MS Windows操作系统的用户而言,多少有一点不便,不过,该软件还提供基于在线免费分析模块,因本人高未用过其在线模块,因此,其功能是否如单机版,本人尚不敢断言.对于从事表观遗传学领域之DNA甲基化研究者而言,熟悉和了解,以及能较为熟练地掌握此软件,应当算是一个基本功.
文献：Grunau C, Schattevoy R, Mache N, Rosenthal A. MethTools--a toolbox to visualize and analyze DNA methylation data. Nucleic Acids Res. 2000 Mar 1;28(5):1053-8. (PMID: 10666443)
推荐：★★★★★

软件：BiQ Analyzer
主页：cuturl('http://biq-analyzer.bioinf.mpi-sb.mpg.de/')
简介：该软件功能与MethTool类似,也是一款专业性针对重亚硫酸盐测序结果分析,并对CpG位点的甲基化状态进行简单的线型绘图的软件,但与MethTool相比,该软件是一款基于Java语言的单机版软件,可下载至本地机运行,但需要网络支持,因为它的ClustW序列比对功能需要使用NCBI的远程服务器.由于它是基于Java语言的,因此,该软件可于包括Windows、Linux、Unix等多种操作平台上运行.Java下载地址：cuturl('http://java.sun.com/getjava/')；JAVA测试页面： cuturl('http://java.com/zh_CN/download/help/testvm.xml')；安装完毕JAVA后检测JAVA版本的方法：在DOS命令状态下使用“Java -version”,要求至少要达到以下版本信息：
java version " 1.4.2_06"
Java(TM) 2 Runtime Environment, Standard Edition (build 1.4.2_06-b03)
Java HotSpot(TM) Client VM (build 1.4.2_06-b03, mixed mode)
如果在Java运行环境的安装过程及本软件的使用过程中有何问题,大家可至本论坛留言于本人,本人将尽力解答.此外,该软件对CpG位点的作图尚是线型图,并非象MethTool一样的标准JPG或TIF图像文件.该软件作者声称,如果有超过5位以上用户给他写信,并要求增强其图像功能的话,他会在下一版本中增加其功能.希望广大网友能多向此位作者写信,一来勉励免费生物医学软件作者,二来可通过大家的努力,可使该软件的下一版本的功能更加完善.
文献：
Bock, C., S. Reither, T. Mikeska, M. Paulsen, J. Walter and T. Lengauer: (2005). BiQ_Analyzer: Visualization and quality control for DNA methylation data from bisulphite sequencing. cuturl('http://biq-analyzer.bioinf.mpi-sb.mpg.de.')
推荐：★★★★★
表观遗传学
    表观遗传学是与遗传学(genetic)相对应的概念.遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化,如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等；而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化,如DNA甲基化和染色质构象变化等；表观基因组学(epigenomics)则是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究.所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下,在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团.正常情况下,人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少,并且总是处于甲基化状态,与之相反,人类基因组中大小为100—1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态,并且与56％的人类基因组编码基因相关.人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约为28890个,大部分染色体每1 Mb就有5—15个CpG岛,平均值为每Mb含10．5个CpG岛,CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系[9].由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系,特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题,DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容.