DNA甲基化（DNA methylation）为DNA 化学修饰 的一种形式，能够在不改变DNA序列的前提下,改变遗传表现。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号碳位共价键结合一个甲基基团。大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达 。 组蛋白和 DNA 会通过以下一系列蛋白出现表观遗传修饰或标记：1)通过添加表观遗传标记来诱导变化(写入蛋白); 2)移除表观遗传标记来改变现有状态(擦除蛋白); 3)对特定表观遗传标记有反应(读取蛋白)。

DNA 甲基化的写入蛋白

DNA 甲基化的写入蛋白称为DNA甲基转移酶(DNMT)。DNMT1是DNA甲基转移酶(DNMT)写入蛋白家族的一员，它在增殖细胞中表达，负责在DNA复制期间以一种新型子代DNA链形式复制甲基化模式DNMT3L帮助靶向和调控DNMT3A/3B功能, 并在重新甲基化中发挥作用。DNMT3L是DNMT3A/B的一个非催化同源物, 可帮助它们结合靶标DNA。PCNA、UHRF1、DMAP1、DNMT3L和组蛋白脱乙酰酶(HDAC)等其他蛋白可用于靶向DNMT蛋白至相应基因组区域，调控其甲基转移酶活性，并使其他表观遗传标记与 DNA 甲基化保持协调。

DNA 甲基化的擦除蛋白

5-甲基胞嘧啶是一个由DNMT3A和DNTM3B重新写入的并由DNTM1维持的阻遏标记，最初被认为在 DNA 复制期间被动缺失。但之后的研究表明，10-11 易位(TET)擦除蛋白家族会催化甲基化胞嘧啶的氧化。TET1、TET2或TET3介导5-甲基胞嘧啶(5-mC)到5-羟甲基胞嘧啶(5-hmC)，再到5-甲酰胞嘧啶(5-fC)和5-羧基胞嘧啶(5-caC)的顺序氧化会导致5-mC含量降低。5-fC和5-caC是瞬时中间物, 通常会通过依赖于胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)的碱基切除修复(BER)被切除。

DNA 甲基化的读取蛋白

甲基-CpG-结合结构域蛋白(MBD)读取蛋白家族成员可以检测和读取在发育期间出现的重新甲基化形式。尤其是MeCP2、MBD1和MBD2/4读取蛋白会读取甲基化标记并募集多种辅阻遏蛋白(如DNMT1和组蛋白脱乙酰酶HDAC1和HDAC2)，从而构建和维持转录失活的染色质区域。

组蛋白主要存在5类组蛋白，即H1、H2A、H2B、H3和H4。组蛋白修饰（histone modification）是指组蛋白在相关酶作用下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等修饰的过程。组蛋白的修饰除了会影像组蛋白和DNA的结构从而改变染色质的结构外，还可以影响转录因子与DNA某些区域的结合来调控基因表达。

组蛋白的甲基化修饰

组蛋白 甲基化 是由 组蛋白甲基化转移酶(histonemethyl transferase，HMT)完成的。甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。 甲基化的作用位点在赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。组蛋白H3的第4、9、27和36位，H4的第20位Lys，H3的第2、l7、26位及H4的第3位Arg都是甲基化的常见位点。研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。

组蛋白乙酰化主要发生在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上，是由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行。组蛋白乙酰化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化位点，但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进行。乙酰化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋白的影响，来调节基因转录。有研究发现，某些HAT复合物含有一些常见的转录因子，某些HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白。这些发现支持了高乙酰化与激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。

组蛋白磷酸化是细胞分裂、转录调控和 DNA 损伤修复过程中染色体浓缩的关键中间步骤。与乙酰化和甲基化不同，组蛋白磷酸化建立了其他组蛋白修饰之间的相互作用，并充当效应蛋白的平台，导致下游级联事件。磷酸化发生在所有核心组蛋白上，并且对每一个核心组蛋白都有不同的作用。组蛋白H3在丝氨酸10和28上的磷酸化，以及组蛋白H2A在T120上的磷酸化参与了染色质致密化以及有丝分裂过程中染色质结构和功能的调节。 这些是细胞周期和细胞生长的重要标志，在真核生物中得以保留。

组蛋白还有泛素化、羟基化和腺苷酸化等其他修饰类型，这些修饰都发生在组蛋白的不同残基上，影响了染色体的结构和功能，调控了相关的基因表达。