表觀遺傳學

中文名稱：表觀遺傳學

英文名稱： epigenetics

學科分類：遺傳學

別名：擬遺傳學、表遺傳學、外遺傳學以及後遺傳學

表觀遺傳學是與遺傳學(genetic)相對應的概念。遺傳學是指基於基因序列改變所 致基因表達水平變化，如基因突變、基因雜合丟失和微衞星不穩定等；而表觀遺傳學 則是指基於非基因序列改變所致基因表達水平變化，如DNA甲基化和染色質構象變化等；表觀基因組學(epigenomics) 則是在基因組水平上對錶觀遺傳學改變的研究。

在生物學中，表觀遺傳學這個名詞指的是基因表達中的多種變化。這種變化在細胞分裂的過程中，有時甚至是在隔代遺傳中保持穩定，但是不涉及到基本DNA的改變。

這個概念意味着即使環境因素會導致生物的基因表達出不同，但是基因本身不會發生改變。表觀遺傳學在真核生物中的變化主要被舉例為細胞分化過程中幹細胞分化成與胚胎有關的多種細胞這一過程。這個過程通過一些可能包含某些基因的沉默，移除某些基因上沉默的標誌並且永久的失活於其他基因的機制變得穩定。

In biology, the term epigenetics refers to changes in gene expression that are stable between cell divisions, and sometimes between generations, but do not involve changes in the underlying DNA sequence of the organism. The idea is that environmental factors can cause an organism's genes to behave (or "express themselves") differently, even though the genes themselves don't change.Epigenetic changes in eukaryotic biology are most elegantly illustrated by the process of cellular differentiation where pluripotent stem cells become the various cell lines of the embryo. This process becomes stable by mechanisms which may include silencing of some genes, removal of silencing marks on some other genes and permanently inactivating still other genes.

所謂DNA甲基化是指在DNA甲基化轉移酶的作用下， 在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共價鍵結合一個 甲基基團。正常情況下，人類基因組“ 垃圾”序列的CpG二核苷酸相對稀少，並且總是處於甲基化狀態，與之相 反，人類基因組中大小為100—1000 bp 左右且富含CpG二核苷酸的CpG島則總是處於未甲基化狀態，並且與56% 的人類基因組編碼基因相關。人類基因組序列草圖分析結果表明， 人類基因組CpG島約為28890個，大部分染色體每1 Mb就有5—15個CpG島，平均值為每Mb含10.5個CpG島，CpG島的數目與基因密度有良好的對應關係。 由於DNA甲基化與人類發育和腫瘤疾病的密切關係， 特別是CpG島甲基化所致抑癌基因轉錄失活問題，DNA甲基 化已經成為表觀遺傳學和表觀基因組學的重要研究內容。

依賴的染色質重塑與人類疾病

染色質重塑複合物依靠水解ATP提供能量來完成染色質結構的改變，根據水解ATP的亞基不同，可將複合物分為SWI/SNF複合物、ISW複合物以及其它類型的複合物。這些複合物及相關的蛋白均與轉錄的激活和抑制、DNA的甲基化、DNA修復以及細胞週期相關。

ATRX、ERCC6、SMARCAL1均編碼與SWI/SNF複合物相關的ATP酶。ATRX突變引起DNA甲基化異常導致數種遺傳性的智力遲鈍疾病如：X連鎖α-地中海貧血綜合徵、Juberg-Marsidi綜合徵、Carpenter-Waziri綜合徵、Sutherland-Haan綜合徵和Smith-Fineman-Myers綜合徵，這些疾病與核小體重新定位的異常引起的基因表達抑制有關。ERCC6的突變將導致Cerebro-Oculo-Facio-Skeletal綜合徵和B型Cockayne綜合徵。前者表現為出生後發育異常、神經退行性變、進行性關節攣縮、夭折；後者表現出紫外線敏感、骨骼畸形、侏儒、神經退行性變等症狀。這兩種病對紫外誘導的DNA損傷缺乏修復能力，表明ERCC6蛋白在DNA修復中有重要的作用。SMARCAL1的突變導致Schimke免疫性骨質發育異常，表現為多向性T細胞免疫缺陷，臨牀症狀表明SMARCAL1蛋白可能調控和細胞增殖相關的基因的表達。BRG1、SMARCB1和BRM編碼SWI/SNF複合物特異的ATP酶，這些酶通過改變染色質的結構使成細胞纖維瘤蛋白(Retinoblastoma protein, RB蛋白)順利的行使調節細胞週期、抑制生長髮育以及維持基因失活狀態的功能，這三個基因的突變可導致腫瘤形成。

組蛋白乙酰化、去乙酰化與人類疾病

組蛋白乙酰化與基因活化以及DNA複製相關，組蛋白的去乙酰化和基因的失活相關。乙酰化轉移酶(HATs)主要是在組蛋白H3、H4的N端尾上的賴氨酸加上乙酰基，去乙酰化酶(HDACs)則相反，不同位置的修飾均需要特定的酶來完成。乙酰化酶家族可作為輔激活因子調控轉錄，調節細胞週期，參與DNA損傷修復，還可作為DNA結合蛋白。去乙酰化酶家族則和染色體易位、轉錄調控、基因沉默、細胞週期、細胞分化和增殖以及細胞凋亡相關。

CREB結合蛋白(CREB binding protein,CBP)、E1A結合蛋白p300(E1A binding protein p300,EP300)和鋅指蛋白220(zinc finger 220,ZNF220)均為乙酰化轉移酶。CBP是cAMP應答元件結合蛋白的輔激活蛋白，通過乙酰化組蛋白使和cAMP應答元件作用的啓動子開始轉錄，它的突變導致Rubinstein Taybi綜合徵，患者智力低下、面部畸形、拇指和拇趾粗大、身材矮小。CBP和EP300均可抑制腫瘤的形成，在小鼠瘤細胞中確定了CBP的突變，在結腸和乳房瘤細胞系中確定了EP300的突變，另外ZNF220異常和人的急性進行性髓性白血病相關。

如果突變導致錯誤的激活去乙酰化酶或錯誤的和去乙酰化酶相互作用，將可能導致疾病的發生。甲基化CpG-結合蛋白-2(methyl cytosine binding protein-2,MeCP2)可募集去乙酰化酶到甲基化的DNA區域，使組蛋白去乙酰化導致染色質濃縮，MeCP2的突變導致Rett綜合徵，患者出生即發病、智力發育遲緩、伴孤獨症。若阻礙去乙酰化酶的功能，則可抑制癌細胞的增殖和分化，可用於急性早幼粒細胞性白血病, 急性淋巴細胞性白血病和非何傑金氏淋巴瘤的治療。

染色質重塑異常引發的人類疾病是由於重塑複合物中的關鍵蛋白髮生突變，導致染色質重塑失敗，即核小體不能正確定位，並使修復DNA損傷的複合物，基礎轉錄裝置等不能接近DNA，從而影響基因的正常表達。如果突變導致抑癌基因或調節細胞週期的蛋白出現異常將導致癌症的發生。乙酰化酶的突變導致正常基因不能表達，去乙酰化酶的突變或一些和去乙酰化酶相關的蛋白的突變使去乙酰化酶錯誤募集將引發腫瘤等疾病。

基因組印記是指來自父方和母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發生了修飾，使帶有親代印記的等位基因具有不同的表達特性，這種修飾常為DNA甲基化修飾，也包括組蛋白乙酰化、甲基化等修飾。在生殖細胞形成早期，來自父方和母方的印記將全部被消除，父方等位基因在精母細胞形成精子時產生新的甲基化模式，但在受精時這種甲基化模式還將發生改變；母方等位基因甲基化模式在卵子發生時形成，因此在受精前來自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。發現的印記基因大約80%成簇，這些成簇的基因被位於同一條鏈上的順式作用位點所調控，該位點被稱做印記中心(imprinting center, IC)。印記基因的存在反映了性別的競爭，從發現的印記基因來看，父方對胚胎的貢獻是加速其發育，而母方則是限制胚胎髮育速度，親代通過印記基因來影響其下一代，使它們具有性別行為特異性以保證本方基因在遺傳中的優勢。

印記基因的異常表達引發伴有複雜突變和表型缺陷的多種人類疾病。研究發現許多印記基因對胚胎和胎兒出生後的生長髮育有重要的調節作用，對行為和大腦的功能也有很大的影響，印記基因的異常同樣可誘發癌症。

巨舌-巨人症綜合徵(BWS )

BWS患者表現為胚胎和胎盤過度增生，巨舌，巨大發育，兒童期易發生腫瘤。該病主要是由11號染色體上的IGF2和CDKN1C兩個印記基因的錯誤表達引發，IGF2為父本表達的等位基因，CDKN1C為母本表達的等位基因。父本單親二體型(uniparental disomies, UPDs)是引發BWS的主要原因，即IGF2基因雙倍表達，CDKN1C基因不表達；次要原因是母本的CDKN1C等位基因發生突變[22]；極少數病例是由於母本的染色體發生移位造成CDKN1C基因失活和(或)造成母本的IGF2基因表達。其它一些印記基因在胚胎髮育過程中的過量或缺失表達也可導致類似於BWS的綜合徵，如原來母本表達的IPL基因的不表達或母本的ASCL2基因逃避印記都將導致胚胎的過度發育。這表明父本表達的等位基因對胚胎的生長有促進作用，而母本表達的等位基因對胚胎的發育起到限制作用。

基因組印記與Prader-Willi/Angelman綜合徵(PWS/AS)

PWS表現為肥胖、身材矮小和輕度智力發育遲緩；AS表現為共濟失調、過度活躍、嚴重智障、少語、表情愉悦，這兩種疾病都和神經功能失調相關。PWS是由於突變導致父本印記基因在大腦中高表達所致，如SNPNP基因高表達；AS是由於母本的UBE3A基因的缺失或受到抑制所致，該基因編碼泛素蛋白連接酶並在腦中表達。父本表達的SNRNP基因的微缺失可導致PWS，而在其上游進一步缺失則可導致AS，這説明這兩個區域就是印記中心所在的位置。如果缺失父本染色體上的PWS印記中心將導致SNRNP基因以及附近的父本表達的等位基因被抑制，而缺失父本染色體上的AS印記中心則沒什麼變化，但若缺失母本染色體上的AS印記中心將導致UBE3A被抑制而導致AS。

印記丟失不僅影響胚胎髮育並可誘發出生後的發育異常，從而導致癌症發生。如果抑癌基因有活性的等位基因失活便提高了發生癌症的幾率，例如IGF2基因印記丟失將導致多種腫瘤,如Wilm’s 瘤。和印記丟失相關的疾病還有成神經細胞瘤，急性早幼粒細胞性白血病，橫紋肌肉瘤和散發的骨肉瘤等。

與基因組印記相關的疾病常常是由於印記丟失導致兩個等位基因同時表達，或突變導致有活性的等位基因失活所致。調控基因簇的印記中心發生突變將導致一系列基因不表達，引發複雜綜合徵。基因組印記的本質仍為DNA修飾和蛋白修飾，所以和印記相關的蛋白髮生突變也將導致表觀遺傳疾病。

女性有兩條X染色體，而男性只有一條X染色體，為了保持平衡，女性的一條X染色體被永久失活，這便是“劑量補償”效應。哺乳動物雌性個體的X染色體失活遵循n-1法則，不論有多少條X染色體，最終只能隨機保留一條的活性。對有多條X染色體的個體研究發現有活性的染色體比無活性的染色體提前複製，複製的異步性和LINE-1元件的非隨機分佈有可能揭示染色體失活的本質。哺乳動物受精以後，X染色體發生系統變化。首先父本X染色體(paternal X chromosome, Xp)在所有的早期胚胎細胞中失活，表現為整個染色體的組蛋白被修飾和對細胞分裂有抑制作用的Pc-G蛋白(Polycomb group proteins, Pc-G)表達，然後Xp在內細胞羣又選擇性恢復活性，最後父本或母本X染色體再隨機失活。

X染色體隨機失活是X失活中心(X inactivation center, Xic)調控的。Xic是一個順式作用位點，包含辨別X染色體數目的信息和Xist基因，前者可保證僅有一條染色體有活性，但機制不明，後者缺失將導致X染色體失活失敗。X染色體失活過程為：Xist基因編碼Xist RNA，Xist RNA包裹在合成它的X染色體上，引發X染色體失活；隨着Xist RNA在X染色體上的擴展，DNA甲基化和組蛋白的修飾馬上發生，這對X染色體失活的建立和維持有重要的作用；失活的染色體依舊持續合成Xist RNA，維持本身的失活狀態，但有活性的X染色體如何阻止Xist RNA的結合機制還不明確。

和X染色體失活相關的疾病多是由X染色體的不對稱失活使攜帶有突變等位基因的X染色體在多數細胞中具有活性所致。Wiskott-Aldrich綜合徵表現為免疫缺陷、濕疹、伴血小板缺乏症，該病是由於WASP基因突變所致。因為染色體隨機失活導致女性為嵌合體，攜帶有50%的正常基因，通常無症狀表現，該病患者多為男性。存在女性患病的原因在於不對稱X染色體失活，即攜帶有正常WASP基因的染色體過多失活。但女性體內還存在另一種機制，通過不對稱失活使攜帶有突變基因的X染色體大部分失活。對Pelizaeus-Merzbacher病的研究表明這種機制的存在，它使帶有突變PLP基因的X染色體傾向於失活。RTT綜合徵也和不對稱X染色體失活有關，攜帶有MeCP2突變基因的女性，X染色體失活時傾向於使攜帶有發生突變的等位基因的染色體失活。

即便是失活的X染色體，也有一部分基因可以逃避失活而存在兩個有活性的等位基因，但逃避失活的等位基因的表達水平有很大的差異。由於逃避失活而易使一些抑癌基因喪失功能，這是引發女性癌症的一個重要原因。也有一些逃避失活的基因過量表達而增加某些疾病的易感性，如TIMP1基因隨着年齡的增加表達量逐漸增加，導致遲髮型疾病。女性易感的自身免疫性疾病也和X染色體失活相關，因為女性為嵌合體，如果自身免疫性T細胞不能耐受兩個X染色體所編碼的抗原，則會導致自身免疫缺陷性疾病，如紅斑狼瘡等。

功能性非編碼RNA在基因表達中發揮重要的作用，按照它們的大小可分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長鏈非編碼RNA在基因簇以至於整個染色體水平發揮順式調節作用。在果蠅中調節“劑量補償”的是roX RNA，該RNA還具有反式調節的作用，它和其它的蛋白共同構成MSL複合物，在雄性果蠅中調節X染色體活性。在哺乳動物中Xist RNA調節X染色體的失活，其具有特殊的模體可和一些蛋白共同作用實現X染色體的失活。Tsix RNA是Xist RNA的反義RNA，對Tsix起負調節作用，在X染色體隨機失活中決定究竟哪條鏈失活。air RNA調節一個基因簇的表達，該基因簇含有3個調節生長的基因。長鏈RNA常在基因組中建立單等位基因表達模式，在核糖核蛋白複合物中充當催化中心，對染色質結構的改變發揮着重要的作用。

短鏈RNA在基因組水平對基因表達進行調控，其可介導mRNA的降解，誘導染色質結構的改變，決定着細胞的分化命運，還對外源的核酸序列有降解作用以保護本身的基因組。常見的短鏈RNA為小干涉RNA(short interfering RNA, siRNA)和微小RNA(microRNA, miRNA)，前者是RNA干擾的主要執行者，後者也參與RNA干擾但有自己獨立的作用機制。

非編碼RNA對防止疾病發生有重要的作用。染色體着絲粒附近有大量的轉座子，轉座子可在染色體內部轉座導致基因失活而引發多種疾病甚至癌症，然而在着絲粒區存在大量有活性的短鏈RNA，它們通過抑制轉座子的轉座而保護基因組的穩定性。在細胞分裂時，短鏈RNA異常將導致染色體無法在着絲粒處開始形成異染色質，細胞分裂異常，如果幹細胞發生這種情況可能導致癌症的發生。siRNA 可在外來核酸的誘導下產生，通過RNA干擾清除外來的核酸，對預防傳染病有重要的作用。RNA干擾已大量應用於疾病的研究為一些重大疾病的治療帶來了新的希望。

非編碼RNA不僅能對整個染色體進行活性調節，也可對單個基因活性進行調節，它們對基因組的穩定性、細胞分裂、個體發育都有重要的作用。RNA干擾是研究人類疾病的重要手段，通過其它物質調節RNA干擾的效果以及實現RNA干擾在特異的組織中發揮作用是未來RNA干擾的研究重點。

研究基因的核苷酸序列不發生改變的情況下，基因表達了可遺傳的變化的一門遺傳學分支學科。表觀遺傳的現象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因組印記（genomic impriting），母體效應（maternal effects），基因沉默（gene silencing），核仁顯性，休眠轉座子激活和RNA編輯（RNA editing）等，國際上表觀遺傳學已經構成了系統遺傳學研究的一個重要方面。

表觀遺傳學是與遺傳學(genetic)相對應的概念。遺傳學是指基於基因序列改變所致基因表達水平變化，如基因突變、基因雜合丟失和微衞星不穩定等；而表觀遺傳學則是指基於非基因序列改變所致基因表達水平變化，如DNA甲基化和染色質構象變化等；表觀基因組學(epigenomics)則是在基因組水平上對錶觀遺傳學改變的研究。所謂DNA甲基化是指在DNA甲基化轉移酶的作用下，在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共價鍵結合一個甲基基團。正常情況下，人類基因組“垃圾”序列的CpG二核苷酸相對稀少，並且總是處於甲基化狀態，與之相反，人類基因組中大小為100—1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG島則總是處於未甲基化狀態，並且與56%的人類基因組編碼基因相關。人類基因組序列草圖分析結果表明，人類基因組CpG島約為28890個，大部分染色體每1 Mb就有5—15個CpG島，平均值為每Mb含10．5個CpG島，CpG島的數目與基因密度有良好的對應關係[9]。由於DNA甲基化與人類發育和腫瘤疾病的密切關係，特別是CpG島甲基化所致抑癌基因轉錄失活問題，DNA甲基化已經成為表觀遺傳學和表觀基因組學的重要研究內容。

遺傳離不開變異，因為變異是遺傳的物質基礎，如果沒有變異，遺傳物質一成不變，生物不能適應新的環境和變化的環境，物種不能延續。在分子水平上，遺傳變異的機制就是構成DNA序列的鹼基的改變，包括單鹼基的替換、缺失、插入，整條基因的拷貝數變化，以及同時包括很多基因的染色體區段的拷貝數變化或重排。按照經典遺傳學理論，以上所有種類的遺傳變異都是基於核苷酸序列的改變，導致基因表達/功能的改變，進而導致性狀的變異。然而在生活中卻存在一些與遺傳學有關卻用經典遺傳學無法解釋的現象，如人體內每個細胞都有相同的一組基因，但會分化成不同類型的細胞，進而發育成不同的組織和器官；還有，同卵雙胞胎即使擁有完全相同的基因，也無法在外貌言行上做到100%的一致。

以上問題的答案就是表觀遺傳變異，其與遺傳變異的本質區別是不需要DNA序列的改變，這是表觀遺傳學最重要的本質特徵。表觀遺傳學的概念最初由著名生物學家康拉德·哈爾·沃丁頓於1942年提出，用來定義基因與環境的互作產生表型，其含義是：同一個基因型在不同環境條件下會產生不同的表型。其中，最顯而易見的例證就是一個個體可以呈現出的多種多樣的發育表型。我們知道，一個生物個體只有一種基因型，但不同發育時期、不同器官、不同組織的表型是具有本質差異的，如前所述，我們人體的不同器官在表型和功能上都是迥然不同的，但它們都具有一個相同的基因型，這是基因選擇性表達的結果，而對這些基因進行調控的就是表觀遺傳變異。既然表觀遺傳變異不需要DNA序列變異，那麼它是如何導致可遺傳基因表達改變的呢？真核生物的DNA不是單獨存在的，而是纏繞在四種組蛋白分子上構成染色質。研究表明，表觀遺傳變異是通過對染色質（包括DNA和組蛋白）的共價化學修飾而實現的。具體來説，表觀遺傳變異包括DNA甲基化、組蛋白修飾的改變、染色質重塑以及非編碼RNA丰度的變化等。對於同卵雙胞胎而言，二者在成長的過程中不可能處在完成相同的生活環境中，研究發現，隨着年齡的增長，同卵雙胞胎之間在基因組範圍內的DNA甲基化修飾和組蛋白乙酰化的修飾差異越來越大，説明環境條件使得同卵雙胞胎之間出現了表觀遺傳修飾的差異，進而引起了表型的不同。

作為生命科學的重大發現和新的研究熱點，表觀遺傳學是近年來遺傳學發展最快的領域，併成為一門獨立的遺傳學分支學科。越來越多的研究都表明，表觀遺傳學在物種形成、生物進化、作物改良和人類健康中都具有重要作用 ^[1]  。