dna内部的许多功能在都是以胞嘧啶为中心发展出来的，这赋予了这个碱基超出简单的信息存储的生理意义。这种多功能性源于用化学修饰胞嘧啶以扩展基因组潜力的酶。一些修饰改变了编码序列，例如通过aid / apobec酶对胞嘧啶脱氨基以产生免疫学或病毒学多样性。其他修饰对表观遗传控制，改变基因表达或细胞身份至关重要。进一步的复杂性是由胞嘧啶去甲基化引起的，这是一种影响细胞多能性的神秘过程。最近的研究帮助我们提出了一个整合的dna去甲基化模型，这其中考虑了胞嘧啶氧化，脱氨基和碱基切除修复的贡献。总之，这种丰富的改变使得胞嘧啶成为基因组的“变牌”。
在常规观点中，基因组是腺嘌呤a，胞嘧啶c，g鸟嘌呤和t胸腺嘧啶的长聚合物，它们一起定义和区分了有机体。然而，越来越清楚的是，生物体内的多样性通常受到该框架内发生的动态变化的支配。在这里，我们假设胞嘧啶是在dna中发挥基因组“变牌”作用的关键残基。特别是，化学修饰胞嘧啶的酶为基因组引入了一个生理上重要的复杂层。
令人惊讶的是，相对于rna，基因组dna内核碱基的修饰相对未被人们充分认识。在这篇综述中，我们研究了胞嘧啶的奇怪化学反应和改变其身份的dna修饰酶。我们首先研究了基因组dna促进适应性和多样性的非规范方式。为了理解胞嘧啶是如何产生这种基因组灵活性的关键，我们描述了大自然用于修饰核碱基及其类似物的酶工具箱。现在，除了dna分子的胞嘧啶甲基化修饰之外的许多修饰已经脱颖而出，包括胞嘧啶脱氨基，氧化和去甲基化。这些研究得出了一个共同点：通过影响胞嘧啶的身份，可以产生新的多样性。
一些修饰改变了编码序列，例如在基因组的背景下，胞嘧啶可以通过脱氨基，甲基化，氧化或去甲基化来修饰以产生一系列类似物。反过来，这些胞嘧啶修饰影响编码序列，基因表达和细胞身份。在这些类似物中，酶促修饰可以产生5-甲基胞嘧啶（mc），5-甲基胞嘧啶（hmc），5-甲酰基胞嘧啶（fc），5-羧基胞嘧啶（cac），5-羟甲基尿嘧啶（hmu）和尿嘧啶（u）和胸腺嘧啶（ t）。
胞嘧啶及相关类似物的酶促修饰
我们将描述胞嘧啶修饰调节基因组潜能的方式，从而使dna成为稳定但可延展的信息库。为了研究相关的生物学途径，我们必须首先在自然界的工具箱中引入酶来改变dna内的胞嘧啶（图2）。
用于酶促修饰或剪切胞嘧啶和尿嘧啶类似物的工具箱
（a）显示胞嘧啶核碱基及其编号。 dna修饰酶靶向多个修饰位置，利用c4或c6对亲核攻击的易感性，c5对烷基化或氧化的可及性，以及用于碱基切除修复的可剪切糖/碱基键。 （b）修饰酶包括aid / apobec家族的脱氨酶，dna甲基转移酶和tet家族氧化酶。 y代表脱氨基中胞嘧啶（未修饰的甲基或羟甲基）的5-位的可变取代，而x代表氧化中5-甲基的可变氧化态（羟甲基，甲酰基或羧基）。 （c）dna糖基化酶可以识别尿嘧啶类似物和一些修饰的胞嘧啶碱基，催化n-糖苷键的水解和碱基的剪切。
在双链dna中，胞嘧啶的c5和c6位置位于主沟中，不受沃森-克里克相互作用的阻碍。c6位点的亲电性使其成为修饰酶的关键靶点。例如，dna甲基转移酶(dnmts)通过攻击活性位点半胱氨酸来短暂地修饰c6。甲基化是由s -腺苷蛋氨酸(sam)衍生的甲基基团协同添加到c5位(13,14)而产生的。共价中间体分解，释放酶，产生基因组5-甲基胞嘧啶(mc)(图2b)。有趣的是，在没有sam的情况下，dnmts可以催化非经典反应，例如c4的脱胺反应,或c5的醛类化合物的添加，这引发了关于这些非经典功能在体内的相关性的有趣问题。
细胞嘧啶c4位点在沃森-克里克配对过程中相对受到保护，但在单链dna环境下，c4位点成为aid/apobec家族酶脱氨的重要位点(图2b)。脱胺的机理包括活化锌结合水，使其在c4上亲核攻击，并生成一个四面体中间体。活性位点谷氨酸促进c4的脱氨作用和胞嘧啶类似物转化为尿苷类似物(23)。除未修饰胞嘧啶脱胺外，有研究表明mc脱胺可产生胸腺嘧啶。然而，围绕这一可能性的证据是相互矛盾的(25)，而针对各种胞嘧啶类似物的aid/apobec活性的完整光谱尚未得到阐明。我们将探讨这些问题及其对多样性的影响。
基因组可塑性和不稳定性之间的区别是微妙的。胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶脱胺可能引起过渡突变;因此脱胺对基因组稳定性是一个非常重要的威胁。作为回应，复杂的dna修复机制已经进化到确保dna的完整性，即碱基切除修复酶(ber)和错配修复酶(mmr)。有趣的是，许多这种“修复”酶被用来支持胞嘧啶在产生多样性方面的作用。
有几种ber酶值得特别关注，其中尿嘧啶dna糖化酶(udg)具有很强的能力从dna中去除尿嘧啶。由于需要排除尿嘧啶，udg与脱氧尿苷三磷酸酶结合，以确保dna中尿嘧啶上存在胸腺嘧啶。udg有效靶向的唯一自然发生的病变是尿嘧啶，但也加工了诸如5-氟尿嘧啶等非自然病变。对胸腺嘧啶的严格选择性通过酶促区分大体积c5取代基而发生，而与关键活性位点天冬酰胺残基的特异性氢键选择尿嘧啶而不是胞嘧啶。正如我们将要指出的，除了其在促进dna保真度方面的主要作用之外，当尿嘧啶有目的地引入基因组时，udg被利用来产生多样性。
未来的方向
适应性对生命来说是必不可少的，但它被对基因组稳定性的需求所抵消。我们已经证明，胞嘧啶修饰提供了适应机制，从而增加了基因组的潜力。胞嘧啶脱氨作用通过促进有目的的突变而促进遗传变异，这在免疫反应的成熟过程中得到了证明。胞嘧啶甲基化或氧化修饰基因组，通过将基因程序裁剪到特定的细胞谱系，或在面对环境变化时改变基因表达。最后，多种dna修饰途径似乎协同进行胞嘧啶去甲基化，有助于在以甲基化为特征的细胞中建立一种全能性状态。
虽然胞嘧啶的独特作用日益明显，但仍有迫切的问题需要探索。目前还不清楚为什么胞嘧啶是在产生多样性过程中中具有特殊作用的基础。人们很容易推测嘧啶基的反应性，加上胸腺嘧啶在从rna中分离dna方面的作用，使得胞嘧啶填补了这一空缺。从最近发现的hmc、fc和cac可以非常清楚地看出，胞嘧啶修饰的范围比以前认识到的要大。高灵敏度质谱是鉴定新的dna修饰的关键，证明积极寻找其他类似修饰是合理的(69,102,110)。鉴于代谢组学的进展，使用标记代谢物可能为检测和跟踪新的dna修饰提供额外的机制。
其次，现在有几个先例表明，我们需要重新评估由已知的dna胞嘧啶修饰酶催化的反应范围。粉防己碱酶被认为可以单独催化hmc的生成，现在已经被证明可以产生fc和cac ;tdg被认为只作用于尿嘧啶类似物，也可以去除氧化胞嘧啶类似物(21,41,104);dnmt酶，被认为只催化甲基化，也可以添加醛。解决已知dna修饰酶的完整催化体系是下一步的重要工作。
第三，我们应该重振对修饰dna的新酶的研究，比如针对cac的脱羧酶。生物信息学分析集中于发现与已知核苷酸修饰域相关的dna结合域的蛋白质，已经提出了一些有吸引力的线索。新的见解也可能来自经典的生化方法，用于发现与含有修饰碱基的dna特异性相互作用的蛋白质。
最后，或许也是最关键的，我们需要新的化学生物学工具来检测位点特异性的修饰。尽管从亚硫酸氢盐测序等方法中获得了丰富的信息，但我们现在知道，这些数据需要在新发现的修饰的上下文中重新解释。目前已经开发了几种新的检测基因组中hmc的方法，如葡萄糖基转移酶的差异修饰、hmc及其加合物的特异性识别以及利用纳米孔分析修饰dna的不同电学性质。需要类似的方法来对基因组中的脱胺、反复氧化和其他修饰的产物进行全面分类。此外，为了评估这些碱基的生物学影响，我们需要方法来定位——特别是控制基因组中胞嘧啶的识别。我们有工具来改变蛋白质在细胞的复杂环境,但缺乏类似的方法来探索动态的性质基因组dna水平。与新方法,我们预计,基本见解进化和适应将来自探索的“百变”功能基因组中胞嘧啶。
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