DNA甲基化是最早發現的修飾途徑之壹，大量研究表明，DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。
在甲基轉移酶的催化下，DNA的CG兩個核苷酸的胞嘧啶被選擇性地添加甲基，形成5－甲基胞嘧啶，這常見於基因的5'-CG-3'序列。大多數脊椎動物基因組DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5＇端的非編碼區，並成簇存在。甲基化位點可隨DNA的復制而遺傳，因為DNA復制後，甲基化酶可將新合成的未甲基化的位點進行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活。
DNA甲基化主要形成5－甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基嘌呤（N6-mA）及7－甲基鳥嘌呤（7-mG）
結構基因含有很多CpG 結構, 2CpG 和2GPC 中兩個胞嘧啶的5 位碳原子通常被甲基化, 且兩個甲基集團在DNA 雙鏈大溝中呈特定三維結構。基因組中60%～ 90% 的CpG 都被甲基化, 未甲基化的CpG 成簇地組成CpG 島, 位於結構基因啟動子的核心序列和轉錄起始點。有實驗證明超甲基化阻遏轉錄的進行。DNA 甲基化可引起基因組中相應區域染色質結構變化, 使DNA 失去核酶?限制性內切酶的切割位點, 以及DNA 酶的敏感位點, 使染色質高度螺旋化, 凝縮成團, 失去轉錄活性。5 位C 甲基化的胞嘧啶脫氨基生成胸腺嘧啶, 由此可能導致基因置換突變, 發生堿基錯配: T2G, 如果在細胞分裂過程中不被糾正,就會誘發遺傳病或癌癥, 而且, 生物體甲基化的方式是穩定的, 可遺傳的。
DNA 甲基轉移酶有兩種: 1) DNM T1, 持續性DNA 甲基轉移酶—— 作用於僅有壹條鏈甲基化的DNA 雙鏈, 使其完全甲基化, 可參與DNA 復制雙鏈中的新合成鏈的甲基化,DNM T1 可能直接與HDAC (組蛋白去乙酰基轉移酶) 聯合作用阻斷轉錄; 2)DNM T3a、DNM T3b從頭甲基轉移酶, 它們可甲基化CpG, 使其半甲基化, 繼而全甲基化。從頭甲基轉移酶可能參與細胞生長分化調控, 其中DNM T3b在腫瘤基因甲基化中起重要作用。
DNA 去甲基化有兩種方式: 1) 被動途徑: 由於核因子N F 粘附甲基化的DNA , 使粘附點附近的DNA不能被完全甲基化, 從而阻斷DNM T1 的作用; 2) 主動途徑: 是由去甲基酶的作用, 將甲基集團移去的過程。在DNA 甲基化阻遏基因表達的過程中, 甲基化CpG 粘附蛋白起著重要作用。雖然甲基化DNA 可直接作用於甲基化敏感轉錄因子E2F、CREB、A P2、CM yc?M yn、N F2KB、Cmyb、Ets, 使它們失去結合DNA 的功能從而阻斷轉錄, 但是, 甲基化CpG 粘附分子可作用於甲基化非敏感轉錄因子(SP1、CTF、YY1) , 使它們失活, 從而阻斷轉錄。人們已發現5 種帶有恒定的甲基化DNA 結合域(MBD ) 的甲基化CpG 粘附蛋白。其中M ECP2、MBD1、
MBD2、MBD3 參與甲基化有關的轉錄阻遏;MBD1 有糖基轉移酶活性, 可將T 從錯配堿基對T?G 中移去,MBD4 基因的突變還與線粒體不穩定的腫瘤發生有關。在MBD2 缺陷的小鼠細胞中, 不含M ECP1 復合物, 不能有效阻止甲基化基因的表達。這表明甲基化CpG 粘附蛋白在DNA 甲基化方式的選擇, 以及DNA 甲基化與組蛋白去乙酰化、染色質重組相互聯系中的有重要作用。