師明磊，趙志虎

1999 年，Wolffe 和 Matzke[1]首次提出了當(dāng)前廣為認(rèn)可的表觀遺傳定義，它包含三個(gè)要點(diǎn)：DNA 序列不變，表型改變，這種改變是可遺傳的。經(jīng)典遺傳學(xué)信息提供了各種蛋白（包括表觀遺傳學(xué)修飾蛋白在內(nèi)）、RNA 的結(jié)構(gòu)信息，而表觀遺傳學(xué)信息則提供何時(shí)、何處合成何種蛋白及 RNA 的指令，從而嚴(yán)密地控制著蛋白及 RNA 的功能。表觀遺傳學(xué)賦予生物靈活而又強(qiáng)大的適應(yīng)環(huán)境的能力，與人體的發(fā)育和疾病密不可分。

1 表觀遺傳學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容

按照研究對(duì)象的不同，可以將表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容分為五個(gè)層次：DNA 的修飾；組蛋白的修飾以及變異體；核小體定位與染色質(zhì)重塑；非編碼 RNA（non-coding RNA，ncRNA）；染色質(zhì)三維構(gòu)象。這五個(gè)層次的調(diào)節(jié)互相影響，形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及精確的反饋機(jī)制，共同對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.1 DNA 水平的修飾

胞嘧啶甲基化是目前研究最充分的表觀遺傳修飾形式。在人類(lèi)染色體，甲基化最常發(fā)生于 CpG 二核苷酸位點(diǎn)（CpG 島），最近報(bào)道 CpG 海灘（CpG island shores，基因組中距離 CpG 島不超過(guò) 2 kb 的區(qū)域）亦含有較高水平的甲基化。發(fā)生在這兩處的甲基化均抑制基因的表達(dá)。甲基化亦可發(fā)生在基因體內(nèi)，此處甲基化水平通常與基因表達(dá)正相關(guān)。DNA 甲基化修飾主要受到 DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的調(diào)節(jié)，其中 DNMT3A 和 3B 主要負(fù)責(zé)在胚胎期進(jìn)行從頭合成甲基化，DNMT1 則主要負(fù)責(zé)甲基化狀 態(tài)的維持。在腫瘤細(xì)胞中，抑癌基因、DNA 修復(fù)基因啟動(dòng)子區(qū)域會(huì)發(fā)生高甲基化，從而為進(jìn)一步的染色體紊亂創(chuàng)造 條件。

DNA 的去甲基化需要經(jīng)歷一個(gè)多步驟的過(guò)程。由于 甲基化現(xiàn)象的普遍存在，人們稱 5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC）為第 5 種堿基；其在 TET（ten-eleven translocation）家族蛋白的作用下可發(fā)生迭代氧化，依次形成 5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine, 5hmC），5-甲?；奏ぃ?-formylcytosine，5fC）和 5-羧基胞嘧啶（5-carboxylcytosine，5caC），分別被稱為第 6，7，8 種堿基[2]，繼而 5fC/5caC 可被 TDG（thymine-DNA glycosylase）切除，并被修復(fù)產(chǎn)生無(wú)修飾的胞嘧啶，從而完成甲基化和去甲基化間的循環(huán)。這些新堿基事實(shí)上是 DNA 脫甲基過(guò)程中的不同中間狀態(tài)。5hmC 是一種相對(duì)含量較高的氧化形式，對(duì)它的研究證實(shí) TET 介導(dǎo)的 5mC 氧化在胚胎發(fā)育時(shí)期的 DNA 去甲基化過(guò)程中發(fā)揮重要作用；Shen 等[3]提供了一個(gè)小鼠胚胎干細(xì)胞中全基因組的 5mC 的迭代氧化動(dòng)力學(xué)視圖，小鼠中 TDG 的缺失可以導(dǎo)致 5fC 以及 5caC 在大量遠(yuǎn)距離基因調(diào)控元件上明顯富集，提示在增強(qiáng)子區(qū)域存在著廣泛的去甲基化。腫瘤細(xì)胞與干細(xì)胞中均存在廣泛的低甲基化[4]，通過(guò)鑒定這些去甲基化過(guò)程標(biāo)志，將其與基因表達(dá)關(guān)聯(lián)，可能為干細(xì)胞重新編程和腫瘤發(fā)生研究提供非常重要的信息。有絲分裂末期，大量甲基化的 DNA 要重新去甲基化，鑒定該時(shí)期的 5fC/5caC 分布情況，也可能為探究 DNA 甲基化在表觀遺傳信息代際傳遞中的功能提供重要信息。

1.2 組蛋白修飾以及變異體

真核生物 DNA 被組蛋白組成的核小體緊密包繞。組蛋白上的許多位點(diǎn)都可以被修飾，尤其是賴氨酸。組蛋白修飾包括乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化、SUMO 化、ADP 核糖基化等，組蛋白修飾可影響組蛋白與 DNA 雙鏈的親和性，從而改變?nèi)旧|(zhì)的疏松和凝集狀態(tài)，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)節(jié)蛋白與染色質(zhì)的結(jié)合，影響基因表達(dá)。不同的組蛋白修飾的組合方式構(gòu)成了“組蛋白密碼”。通常，轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域具有較高水平的乙酰化與 H3K4、H3K36、H3K79 三甲基化，而轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)域具有較低水平的乙?；c H3K9、H3K27、H4K20 的高甲基化。最近 Tropberger 等[5]報(bào)道了 H3K122 乙?；瘜?duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的影響。Polycomb 蛋白復(fù)合體所介導(dǎo)的基因沉默是一種重要的表觀遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制，在腫瘤發(fā)生、細(xì)胞分化、細(xì)胞衰老過(guò)程中均發(fā)揮著重要的作用，而其發(fā)揮作用的機(jī)制主要就是調(diào)節(jié) H3K27 三甲基化、H3K27 去乙?；约?H2A 泛素化[6]。

組蛋白變異體在不同的細(xì)胞周期形成明顯不同的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能，從而發(fā)揮重要的生物學(xué)作用。在核心組蛋白中，組蛋白 H2A 家族的多樣性最豐富，H2A.Z 是組蛋白 H2A 的變異體之一，是高度保守的組蛋白變異體，參與保護(hù)常染色質(zhì)，防止形成異染色質(zhì)；并且與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、抗沉默、沉默和基因組穩(wěn)定性有關(guān)[7]。

1.3 非編碼 RNA 調(diào)控

非編碼 RNA 指不能翻譯為蛋白質(zhì)的，具有調(diào)控作用的功能性 RNA 分子。與 DNA 含量（C-值）以及編碼基因的數(shù)量（G-值）悖論不同，ncRNA 占整個(gè)基因組的比例與 生物復(fù)雜度嚴(yán)格相關(guān)，其中人類(lèi)基因組非編碼區(qū)域占全部基因組的 98%[8]，提示非編碼區(qū)域?qū)τ诨蛘{(diào)控發(fā)揮著重要作用。

根據(jù) ncRNA 長(zhǎng)度，將 ncRNA 分為小非編碼 RNA 和長(zhǎng)鏈非編碼 RNA（long non-coding RNA，lncRNA）[9]。較短的 ncRNA 往往在轉(zhuǎn)錄后水平通過(guò)與靶基因結(jié)合，發(fā)揮抑制功能，故而通常具有較高的物種保守性；相反，lncRNA 保守性較差，有利于快速適應(yīng)進(jìn)化，它們往往是通過(guò)標(biāo)記、引導(dǎo)、誘捕或者是作為支架對(duì)基因簇乃至整個(gè)染色體進(jìn)行調(diào)節(jié)[10]，而其功能也復(fù)雜的多，既參與表觀遺傳、可變剪接、入核轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程，也能以細(xì)胞微結(jié)構(gòu)原件、小 RNA 前體等發(fā)揮功能[11]，既發(fā)揮抑制作用，還可提高基因翻譯水平[12]。

lncRNA 占 ncRNA 的 80%，多由 RNA 聚合酶 II 轉(zhuǎn)錄。lncRNA 轉(zhuǎn)錄水平低于蛋白質(zhì)編碼基因，具有組織特異性，人們發(fā)現(xiàn) lncRNA 涉及白血病、前列腺癌、乳腺癌、肝細(xì)胞癌、結(jié)腸癌等多種腫瘤的發(fā)生。lncRNA 在腫瘤中功能復(fù)雜多樣，既存在促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的促癌因子，也存在抑制腫瘤生長(zhǎng)的抑癌因子；有的 lncRNA 促進(jìn)腫瘤遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和引起預(yù)后不良，也有的以 miRNA 前體形式改善腫瘤預(yù)后[13]。

1.4 核小體定位

核小體是基因轉(zhuǎn)錄的障礙，被組蛋白緊密纏繞的 DNA 是無(wú)法與眾多轉(zhuǎn)錄因子以及活化因子結(jié)合的，因此，核小體在基因組位置的改變對(duì)于調(diào)控基因表達(dá)有著重要影響?；?躍轉(zhuǎn)錄基因區(qū)域往往核小體結(jié)合較少[14]，以保證轉(zhuǎn)錄因子易于接近染色質(zhì)模板，從而容易被 DNase I 切開(kāi)，形成 DNase I 超敏感位點(diǎn)。2012 年，Brogaard 等[15]通過(guò)建立一種新方法，在全基因組范圍內(nèi)以單堿基對(duì)的分辨率分析了核小體中心的位置，這些研究數(shù)據(jù)將有利于研究人員解析與核小體有關(guān)的各種生物學(xué)進(jìn)程。

隨著 DNA 復(fù)制、重組、修復(fù)以及轉(zhuǎn)錄控制等生命活動(dòng)的開(kāi)展，染色質(zhì)上的核小體定位一直處于動(dòng)態(tài)變化之中，這種不斷的變化需要一系列染色質(zhì)重塑復(fù)合體的作用，包括 SWI/SNF、ISWI、CHD 以及 INO80 四大家族。它們都含有相似的 ATP 酶結(jié)構(gòu)域，但是在其他組分以及底物上存在差異。其中最主要的是 SWI/SNF 復(fù)合體，它是基因表達(dá)的主操縱者[16]。

1.5 染色質(zhì)構(gòu)象

染色質(zhì)構(gòu)象對(duì)于基因表達(dá)調(diào)控的影響是表觀遺傳研究的最新領(lǐng)域，主要研究染色體片段之間空間位置的分布以及它們與亞細(xì)胞核結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。染色質(zhì)在細(xì)胞核內(nèi)的分布絕不是隨機(jī)的，而是呈現(xiàn)出高度組織性和動(dòng)態(tài)性，對(duì)于基因的表達(dá)調(diào)控起著重要影響。不論是 DNA 修飾還是組蛋白修飾以及 ncRNA 的調(diào)控，更不用說(shuō)核小體位置的移動(dòng)，最終都會(huì)體現(xiàn)為一定程度的染色質(zhì)構(gòu)象的變化。因此，染色質(zhì)構(gòu)象的變化是研究基因表達(dá)調(diào)控的不可或缺的重要領(lǐng)域。染色質(zhì)構(gòu)象捕獲技術(shù)（chromosome conformation capture，3C）的基本原理是用甲醛固定空間上相互靠近的蛋白與 DNA， 隨后進(jìn)行染色質(zhì)的破碎，再進(jìn)行同一蛋白/DNA 復(fù)合體內(nèi)的 DNA 連接，從而將這種雜合分子固定下來(lái)，最后進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增，進(jìn)行檢測(cè)。從 2002 年報(bào)道 3C 開(kāi)始，相關(guān)技術(shù)迅速進(jìn)步，歷經(jīng) 3C、4C、5C、Hi-C、ChIA-PET 等的發(fā)展，先后與 Q-PCR、芯片、高通量測(cè)序以及染色質(zhì)免疫沉淀等技術(shù)相結(jié)合，通量及精確度迅速提高，并且把蛋白以及 DNA 的空間位置統(tǒng)一了起來(lái)。目前的研究結(jié)果顯示，絕大多數(shù)腫瘤的染色質(zhì)構(gòu)象都發(fā)生了程度不同的紊亂，在前列腺癌、乳腺癌、結(jié)腸癌等腫瘤細(xì)胞中還發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵致癌基因的遠(yuǎn)距離調(diào)控元件及其介導(dǎo)的染色質(zhì)構(gòu)象的變化[17]。

2 表觀遺傳修飾與環(huán)境

與遺傳學(xué)水平的改變一樣，表觀遺傳也是個(gè)體適應(yīng)外界環(huán)境的機(jī)制，只是這種機(jī)制更加靈活，且具有可逆性，這就使得在環(huán)境變化時(shí)，生物可以通過(guò)重編程，消除原有的表觀遺傳標(biāo)記，產(chǎn)生適應(yīng)新環(huán)境的表觀遺傳標(biāo)記，這樣既適應(yīng)了環(huán)境變化，同時(shí)也避免了 DNA 反復(fù)突變?cè)斐傻娜旧w不穩(wěn)定與遺傳信息紊亂。

2.1 出生前環(huán)境與疾病

環(huán)境造成的表觀遺傳標(biāo)記在母體生殖細(xì)胞（精子與卵子）發(fā)育過(guò)程中就開(kāi)始建立[18]，在胚胎發(fā)育早期，又經(jīng)歷了一次大規(guī)模的重編程，消除一些原有的表觀遺傳標(biāo)記，并建立新的標(biāo)記[19]。事實(shí)上，建立與環(huán)境（宮內(nèi)以及通過(guò)母體與外界環(huán)境）相適應(yīng)的表觀遺傳修飾是胚胎發(fā)育過(guò)程的核心任務(wù)，這一環(huán)境包括飲食結(jié)構(gòu)、生存壓力、生活習(xí)慣、行為方式等[20]。母體的營(yíng)養(yǎng)、供氧、感染、毒素以及胎盤(pán)-子宮界面情況等因素不良會(huì)造成出生體重偏低或偏高，已經(jīng)被確認(rèn)與許多疾病，包括冠心病、高血壓、II 型糖尿病、骨質(zhì)疏松等存在密切關(guān)系[21]，以至于已經(jīng)出現(xiàn)了“發(fā)育起源的健康與疾病”（developmental origins of health and disease，DOHaD）研究范式，為疾病發(fā)病機(jī)制研究提供了新的思路。這一假說(shuō)認(rèn)為宮內(nèi)不良環(huán)境為胎兒打上的表觀遺傳標(biāo)記與出生后環(huán)境的不協(xié)調(diào)導(dǎo)致了后天對(duì)疾病的易感性[22]。2011 年 3 月，在美國(guó)阿什維爾召開(kāi)了“環(huán)境表觀基因組與疾病易感性”研討會(huì)。這次會(huì)議旨在為“胚胎發(fā)育早期的環(huán)境暴露會(huì)影響個(gè)體的表觀基因組修飾，并由此導(dǎo)致其在隨后的生命周期對(duì)多種疾病的易感性不同，包括腫瘤、心血管疾病、糖尿病、肥胖、哮喘、自閉癥、精神分裂癥”提供證據(jù)。

2.2 飲食對(duì)發(fā)育與疾病的影響

作為日常生活中人與自然最親密而又頻繁的接觸，飲食已被證明與表觀遺傳修飾密切相關(guān)。蜜蜂發(fā)育有力地證明了飲食對(duì)表型的決定性作用[23]。對(duì)于蜜蜂幼蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，決定它們成為蜂王還是工蜂的決定因素并非基因組序列，而是它們的飲食——以蜂王漿為食的幼蟲(chóng)將成為新的蜂王。蜂王漿能夠影響幼蟲(chóng)的 DNA 甲基化模式，并使其發(fā)育出有功能的卵巢。研究人員比較了蜂王和工蜂幼蟲(chóng)頭部的基因組甲基化模式，其中甲基化模式存在差異的基因數(shù)以千計(jì)。

人類(lèi)食物中含有的大量生物活性食品成分能夠直接作 用于表觀遺傳修飾。例如，染料木黃酮和兒茶素可以作用于 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶；白藜蘆醇、丁酸、蘿卜硫素和大蒜二丙烯硫醚可以抑制組蛋白去乙?；?；姜黃素可以抑制組蛋白酰基轉(zhuǎn)移酶。這些化合物可能在我們的日常生活中通過(guò)改變基因表達(dá)作用于生理和病理過(guò)程[24]。

3 表觀遺傳與疾病密切相關(guān)

環(huán)境因素通過(guò)表觀遺傳修飾對(duì)人體有著如此深遠(yuǎn)的影響，疾病，特別是與環(huán)境相關(guān)的復(fù)雜性疾病比如惡性腫瘤、神經(jīng)精神疾病、自身免疫疾病、心腦血管疾病、代謝性疾病等，受到表觀遺傳調(diào)節(jié)控制就不足為奇了[25]。從進(jìn)化角度上說(shuō)，許多疾病的產(chǎn)生，特別是一些所謂現(xiàn)代病、富貴病，正是因?yàn)槿祟?lèi)祖先在幾萬(wàn)年生命過(guò)程中形成的表觀遺傳標(biāo)記不能夠適應(yīng)近二三十年飲食結(jié)構(gòu)與生活方式的巨大變化造成的。

關(guān)于表觀遺傳與疾病發(fā)生的關(guān)系，Ptak 和 Petronis[26]曾進(jìn)行了精辟的論述：“表觀遺傳改變?cè)黾恿嘶加刑囟膊〉娘L(fēng)險(xiǎn)，但不是患病的充分條件；人體可在相當(dāng)程度上忍受這些改變而不發(fā)病，只有外界環(huán)境，比如飲食、感染、用藥等，經(jīng)歷十幾年或者幾十年的持續(xù)壓力，表觀修飾的彈性被耗盡，細(xì)胞或者組織再也無(wú)法正常行使功能，從而產(chǎn)生疾病?！庇纱丝磥?lái)，古語(yǔ)“病來(lái)如山倒，病去如抽絲”也就不恰當(dāng)了，病來(lái)也是聚沙成塔，一點(diǎn)一滴積累來(lái)的。在這個(gè)逐漸積累的過(guò)程中，個(gè)體可能不具有任何當(dāng)前臨床水平能夠檢測(cè)得到的改變，但是患者會(huì)感到各種不適、疲憊，處于所謂的“亞健康狀態(tài)”。對(duì)于這種狀態(tài)，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)（西醫(yī)）因?yàn)闄z測(cè)不到任何功能與器質(zhì)性的變化，往往也無(wú)法治療；而傳統(tǒng)中國(guó)醫(yī)學(xué)（中醫(yī)）則可以通過(guò)多種藥物進(jìn)行“調(diào)養(yǎng)”，使人恢復(fù)健康。這個(gè)“調(diào)”，很有可能是通過(guò)調(diào)整表觀遺傳修飾，從而達(dá)到維護(hù)健康的效果。因此，表觀遺傳學(xué)的發(fā)展也為中醫(yī)現(xiàn)代化打開(kāi)了一扇大門(mén)。有朝一日，通過(guò)檢測(cè)表觀遺傳標(biāo)記也許就可以準(zhǔn)確判斷陰陽(yáng)虛實(shí)等征候。

3.1 表觀遺傳與腫瘤

表觀遺傳失調(diào)所造成的最典型的疾病莫過(guò)于惡性腫瘤。在過(guò)去的 30 年里，海量研究結(jié)果表明，DNA 甲基化、組蛋白修飾、ncRNA 調(diào)節(jié)以及染色質(zhì)構(gòu)象變化影響了癌癥發(fā)生至關(guān)重要的多種生物學(xué)過(guò)程。事實(shí)上，這些錯(cuò)誤的調(diào)控 在腫瘤細(xì)胞中達(dá)到了極點(diǎn)，從而嚴(yán)重?fù)p害了正常的細(xì)胞功能。2012 年，Dawson 和 Kouzarides 在 Cell 雜志上發(fā)表綜述[27]，詳細(xì)描述了這些機(jī)制，并預(yù)示表觀遺傳學(xué)在癌癥研究中占據(jù)中心地位?？傮w而言，腫瘤細(xì)胞的表觀遺傳修飾包括抑癌基因、DNA 修復(fù)基因等啟動(dòng)子區(qū) DNA 高甲基化，從而造成這些基因低表達(dá)，細(xì)胞喪失維穩(wěn)與修復(fù)功能；同時(shí)，基因組總體低甲基化，主要發(fā)生在 DNA 重復(fù)序列中，如微衛(wèi)星 DNA、長(zhǎng)散布元件、Alu 順序等，這種廣泛的低甲基化會(huì)造成基因組不穩(wěn)定，從而造成大量異?；蚋弑磉_(dá)；伴隨著基因表達(dá)的混亂，組蛋白修飾嚴(yán)重異常、染色質(zhì)構(gòu)象高度紊亂等。

3.2 表觀遺傳與神經(jīng)精神疾病

神經(jīng)精神領(lǐng)域也是表觀遺傳研究的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域。從神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，到各種神經(jīng)精神疾病以及學(xué)習(xí)與記憶，都被發(fā)現(xiàn)與表觀遺傳修飾相關(guān)[28]。如前所述，發(fā)育過(guò)程中的不良因素會(huì)影響胎兒成年后的精神神經(jīng)異常[29]。研究報(bào)道荷蘭 1944 - 1945 年“饑餓的冬季”與我國(guó) 1959 - 1960 年 困難時(shí)期出生的新生兒成年后具有較高比例的精神分裂 癥[30]。一些研究提示 DNA 甲基化參與了精神分裂癥的發(fā)生。對(duì)精神分裂癥患者的研究已證實(shí) reelin 基因的低活性與基因啟動(dòng)子區(qū)域的超甲基化相關(guān)[31]。作為生活環(huán)境極為重要的組成部分，幼年生活的精神壓力也會(huì)帶來(lái)與成年行為改變有關(guān)的表觀遺傳改變。Suderman 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，由母親養(yǎng)育的大鼠，其大腦中的 DNA 甲基化水平發(fā)生了變化并且決定了其隨后生活周期中養(yǎng)育后代的行為；對(duì)兒童的虐待亦影響了其大腦 DNA 甲基化水平并與成年后的自殺有關(guān)。Zovkic 等[33]發(fā)現(xiàn)通過(guò)抑制胚胎早期的組蛋白去乙?；?DNA 甲基化從而對(duì)長(zhǎng)時(shí)記憶產(chǎn)生了影響。成年生活中的不良因素同樣影響了表觀遺傳修飾。研究表明，壓力可以引起小鼠體內(nèi)組蛋白乙?；⒔M蛋白甲基化和 DNA 甲基化等修飾改變，與小鼠的抑郁相關(guān)[34]。

3.3 表觀遺傳學(xué)與代謝綜合征及心腦血管疾病

研究表明，許多調(diào)節(jié)表觀遺傳修飾的酶的底物也同時(shí)存在于代謝通路之中，因此，營(yíng)養(yǎng)、代謝與表觀遺傳修飾之間存在密切聯(lián)系[35]。先天與后天的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)等代謝因素會(huì)對(duì)表觀遺傳修飾產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，進(jìn)而造成明顯的代謝紊亂，包括：①肥胖或超重；②血脂異常（高甘油三脂血癥及高密度脂蛋白膽固醇低下）；③高血壓；④胰島素抗性及（或）葡萄糖耐量異常等。這些因素都是動(dòng)脈粥樣硬化、冠心病、腦卒中等一系列心腦血管疾病的誘發(fā)因素[36]。

3.4 表觀遺傳與自身免疫疾病

自身免疫疾病是在自體素質(zhì)與環(huán)境因素的共同作用下形成的[37]。研究發(fā)現(xiàn)，同卵雙生兒患有自身免疫疾病的一致性通常低于 30%[38]；只在極少數(shù)患者體內(nèi)可以找到與自身免疫疾病顯著相關(guān)的基因變異[39]；這些證據(jù)都提示表觀遺傳機(jī)制可能在自身免疫疾病的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。人們已經(jīng)在系統(tǒng)性紅斑狼瘡、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、系統(tǒng)性硬化、銀屑病以及 I 型糖尿病中發(fā)現(xiàn)，DNA 甲基化、組蛋白修飾以及 miRNA 異常表達(dá)與疾病發(fā)生有著重要關(guān)系[40]。

3.5 表觀遺傳流行病學(xué)

鑒于表觀遺傳修飾對(duì)各種疾病的深入影響，出現(xiàn)了表觀遺傳流行病學(xué)這一新興學(xué)科。其定義為：“研究表觀遺傳變異在人群中的分布及其對(duì)疾病發(fā)生、發(fā)展和分布的影響，研究防治措施效果，制定防治策略的學(xué)科”[41]。通過(guò)流行病學(xué)的手段系統(tǒng)調(diào)查表觀遺傳修飾與疾病的關(guān)系，可以為復(fù)雜性疾病的病因探討提供新思路，從而為疾病的人群干預(yù)和治療帶來(lái)突破性的變化。

3.6 表觀遺傳學(xué)療法

針對(duì)表觀遺傳修飾對(duì)疾病的影響，目前的治療措施主要 是采用靶向 DNA 甲基化酶、組蛋白乙酰化酶等酶抑制劑，這些藥物的一個(gè)主要問(wèn)題是它們普遍缺乏靶標(biāo)特異性，因此其應(yīng)用受到極大限制[42]。近年出現(xiàn)的具有很強(qiáng)特異性的基因組編輯核酸酶，包括鋅指核酸酶（zinc finger nucleases，ZFNs）、轉(zhuǎn)錄激活因子樣效應(yīng)物核酸酶（transcription activator-like effector nucleases，TALENs）、規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPRs）等，通過(guò)與不同類(lèi)型的效應(yīng)分子融合，有望極大提高靶標(biāo)特異性，從而提高治療效果。

4 表觀遺傳與衰老

人類(lèi)的一生是不斷適應(yīng)各種環(huán)境變化與精神壓力的一生，隨著年齡增加，后天因素造成的表觀遺傳修飾不斷累積，造成了機(jī)體的衰老，疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也逐漸加大[43]。通過(guò)對(duì)間隔約 11 年收集的 111 人的 DNA 樣品的甲基化水平進(jìn)行測(cè)定，Bjornsson 等[44]發(fā)現(xiàn)基因組 DNA 甲基化水平會(huì)隨著時(shí)間推移而改變，這些改變影響疾病發(fā)生，并且變化程度在家庭成員之間是相似的。與腫瘤類(lèi)似，人體內(nèi)的甲基化水平隨著年齡增加而逐漸降低，而一些特定位點(diǎn)的甲基化則升高。通過(guò)對(duì)同卵雙生子的研究，發(fā)現(xiàn)這種甲基化水平的改變與基因序列無(wú)關(guān)[45]。其他的表觀遺傳現(xiàn)象，如組蛋白修飾也隨著衰老而變化。這些變化提高了腫瘤、代謝性疾病等老年人常見(jiàn)病的易感性。基于這些顯著的變化，一個(gè)新的學(xué)科——老年表觀遺傳學(xué)誕生了，人們?cè)噲D通過(guò)鑒定年齡相關(guān)的 DNA 甲基化與組蛋白修飾圖譜，從而區(qū)分“老的”與“年輕的”細(xì)胞[46]。

5 表觀遺傳的傳代問(wèn)題

表觀遺傳，歸根結(jié)底，在于遺傳。已有許多證據(jù)表明，表觀遺傳標(biāo)記可以傳遞至 3 代甚至更多代以后[47-48]。但是，與 DNA 序列信息可以通過(guò)半保留復(fù)制忠實(shí)傳遞給下一代不同，表觀遺傳標(biāo)記在代際傳遞的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷兩次大規(guī)模的清除，一次發(fā)生在生殖細(xì)胞發(fā)育早期，一次發(fā)生在胚胎發(fā)育早期；不僅如此，2012 年，一項(xiàng)表觀遺傳學(xué)研究發(fā)現(xiàn)甲基化的組蛋白并沒(méi)有轉(zhuǎn)移給新合成的 DNA，而是由未修飾組蛋白組裝成了新的核小體，隨后組蛋白修飾酶負(fù)責(zé)將這些組蛋白甲基化[49]。因此，那些仍舊能夠傳遞下去，并且進(jìn)行了多代傳遞的表觀遺傳標(biāo)記，到底是通過(guò)什么機(jī)制傳遞下去的？在這個(gè)過(guò)程中，需要注意的是，對(duì)于正在懷孕的母代，可以把環(huán)境的影響通過(guò)胎盤(pán)傳遞給 F1 代；由于 F1 代的早期生殖細(xì)胞已經(jīng)存在，環(huán)境的影響又可以傳遞進(jìn)去，從而直接影響到 F2 代，因此，必須考察 F3 代及以后在脫離該特定環(huán)境影響的情況下，仍然保持的表觀遺傳標(biāo)記，才能被認(rèn)為是表觀遺傳標(biāo)記的遺傳[19]。

目前的研究表明，在植物與動(dòng)物個(gè)體中，精子都在表觀遺傳信息的傳遞中扮演了比較重要的作用。Calarco 等[50]研究發(fā)現(xiàn)花粉中的基因組重編程促成了被小 RNA 引導(dǎo)的表觀基因遺傳、轉(zhuǎn)座子沉默和標(biāo)記。Jiang 等[51]研究發(fā)現(xiàn)斑 馬魚(yú)子代早期胚胎完全繼承精子的甲基化圖譜，之后斑馬魚(yú)以精子甲基化圖譜為基礎(chǔ)進(jìn)行細(xì)微重編程，此重編程僅限于局部區(qū)域的甲基化變化，從而分化出不同細(xì)胞、器官等。

6 結(jié)語(yǔ)

表觀遺傳修飾，在功能上，是基因組適應(yīng)環(huán)境變化的一種有效手段；在機(jī)制上，是通過(guò)各種不影響基因組序列的方法對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控；由于生物總是要對(duì)環(huán)境的各種變化進(jìn)行適應(yīng)，而同時(shí)要竭力維持遺傳序列的穩(wěn)定性，這就使得表觀遺傳修飾幾乎每時(shí)每刻都在發(fā)生著變化，表觀遺傳修飾滲透了人類(lèi)健康與疾病的全部領(lǐng)域。

在表觀遺傳學(xué)研究的五個(gè)層次中，無(wú)論是 DNA 修飾還是組蛋白修飾，都是基因活性調(diào)節(jié)的參與者，而真正誘導(dǎo)基因活性改變的主導(dǎo)者可能是 ncRNA。X 染色體失活就是 lncRNA 所介導(dǎo)的一個(gè)重要表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，可以說(shuō)是表觀遺傳學(xué)中由 ncRNA 介導(dǎo)的，DNA 甲基化和組蛋白修飾共同參與的一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程[52]。許多印跡基因的失活也是由 ncRNA 介導(dǎo)的。ncRNA 還可能是表觀遺傳標(biāo)記代際傳遞的重要信使。因此，ncRNA 特別是 lncRNA 已成為當(dāng)前表觀遺傳學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域。

各種水平的表觀遺傳修飾最終都會(huì)體現(xiàn)為一定程度的染色質(zhì)構(gòu)象的變化。染色質(zhì)構(gòu)象的變化不僅把各種修飾構(gòu)成的重重網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為單一標(biāo)志，而且可以反映線性研究所不能獲得的三維構(gòu)象，對(duì)于基因表達(dá)調(diào)控影響的信息，已成為當(dāng)前表觀遺傳學(xué)研究最前沿、最具潛力的領(lǐng)域。

表觀遺傳信息的遺傳，如前所述，無(wú)疑是表觀遺傳研究領(lǐng)域極為重大也極為難以研究的科學(xué)問(wèn)題，雖然現(xiàn)在已經(jīng)找到了許多表觀遺傳代際傳遞的證據(jù)，但是人們對(duì)其機(jī)制仍知之甚少，解答這一問(wèn)題無(wú)疑對(duì)深入、徹底了解表觀遺傳修飾具有極為重要的意義，為掌握、應(yīng)用表觀遺傳修飾技術(shù)防治人類(lèi)疾病提供重要依據(jù)。

[1] Wolffe AP, Matzke MA. Epigenetics: regulation through repression. Science, 1999, 286(5439):481-486.

[2] Booth MJ, Branco MR, Ficz G, et al. Quantitative sequencing of 5-methylcytosine and 5-hydroxymethylcytosine at single-base resolution. Science, 2012, 336(6083):934-937.

[3] Shen L, Wu H, Diep D, et al. Genome-wide analysis reveals TET- and TDG-dependent 5-methylcytosine oxidation dynamics. Cell, 2013, 153(3):692-706.

[4] Ooi SK, Bestor TH. The colorful history of active DNA demethylation. Cell, 2008, 133(7):45-48.

[5] Tropberger P, Pott S, Keller C, et al. Regulation of transcription through acetylation of H3K122 on the lateral surface of the histone octamer. Cell, 2013, 152(4):859-872.

[6] Yao XY, Wang M, Xue LX. Epigenetic regulation mediated by polycomb on cellular senescence. Chin J Biochemistry Mol Biol, 2012, 28(4):304-309. (in Chinese) 姚響蕓, 王萌, 薛麗香. Polycomb 蛋白復(fù)合體對(duì)細(xì)胞衰老的表觀遺傳學(xué)調(diào)控. 中國(guó)生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào), 2012, 28(4):304-309.

[7] Wu BJ, Yu H, Dai YF, et al. Histone variant H2A.Z. Chin J Cell Biol, 2012, 34(11):1166-1174. (in Chinese) 吳寶江, 于花, 戴雁峰, 等. 組蛋白變異體H2A.Z 的研究進(jìn)展. 中國(guó)細(xì)胞生物學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(11):1166-1174.

[8] International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the euchromatic sequence of the human genome. Nature, 2004, 431(7011): 931-945.

[9] Brosnan CA, Voinnet O. The long and the short of noncoding RNAs. Curr Opin Cell Biol, 2009, 21(3):416-425.

[10] Wang KC, Chang HY. Molecular mechanisms of long noncoding RNAs. Mol Cell, 2011, 43(6):904-914.

[11] Gong C, Maquat LE. lncRNAs transactivate STAU1-mediated mRNA decay by duplexing with 3' UTRs via Alu elements. Nature, 2011, 470(7333):284-288.

[12] Carrieri C, Cimatti L, Biagioli M, et al. Long non-coding antisense RNA controls Uchl1 translation through an embedded SINEB2 repeat. Nature, 2012, 491(7424):454-457.

[13] Hauptman N, Glava? D. Long non-coding RNA in cancer. Int J Mol Sci, 2013, 14(3):4655-4669.

[14] Chodavarapu RK, Feng S, Bernatavichute YV, et al. Relationship between nucleosome positioning and DNA methylation. Nature, 2010, 466(7304):388-392.

[15] Brogaard K, Xi L, Wang JP, et al. A map of nucleosome positions in yeast at base-pair resolution. Nature, 2012, 486(7404):496-501.

[16] Ho L, Crabtree GR. Chromatin remodelling during development. Nature, 2010, 463(7280):474-484.

[17] Horan MP, Ballard JW. Application of chromosome conformation capture (3C) to the study of human genetic disease. Wiley Online Library, 2012 (2012-09-17). http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.100 2/9780470015902.a0024383/abstract.

[18] Kota SK, Feil R. Epigenetic transitions in germ cell development and meiosis. Dev Cell, 2010, 19(5):675-686.

[19] Dunn GA, Morgan CP, Bale TL. Sex-specificity in transgenerational epigenetic programming. Horm Behav, 2011, 59(3):290-295.

[20] Relton CL, Davey Smith G. Epigenetic epidemiology of common complex disease: prospects for prediction, prevention, and treatment. PLoS Med, 2010, 7(10):e1000356.

[21] Fernandez-Twinn DS, Ozanne SE. Early life nutrition and metabolic programming. Ann N Y Acad Sci, 2010, 1212:78-96.

[22] Gluckman PD, Hanson MA, Beedle AS. Early life events and their consequences for later disease: a life history and evolutionary perspective. Am J Hum Biol, 2007, 19(1):1-19.

[23] Foret S, Kucharski R, Pellegrini M, et al. DNA methylation dynamics, metabolic fluxes, gene splicing, and alternative phenotypes in honey bees. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012, 109(13):4968-4973.

[24] Pang GC, Chen QS, Hu ZH, et al. Overview and prospect of food and nutritional epigenetics. Food Sci, 2011, 32(17):1-21. (in Chinese) 龐廣昌, 陳慶森, 胡志和, 等. 食品和營(yíng)養(yǎng)的表觀遺傳觀點(diǎn)和展望. 食品科學(xué), 2011, 32(17):1-21.

[25] Liu M, Chen CM, Tan C, et al. Research progress in environmental epigenetics. J Environmental Hyg, 2011, 1(5):35-41. (in Chinese) 劉敏, 陳春梅, 譚聰, 等. 環(huán)境表觀遺傳學(xué)研究進(jìn)展. 環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志, 2011, 1(5):35-41.

[26] Ptak C, Petronis A. Epigenetics and complex disease: from etiology to new therapeutics. Annu Rev Pharmacol Toxicol, 2008, 48:257-276.

[27] Dawson MA, Kouzarides T. Cancer epigenetics: from mechanism to therapy. Cell, 2012, 150(1):12-27.

[28] Qureshi IA, Mehler MF. Understanding neurological disease mechanisms in the era of epigenetics. JAMA Neurol, 2013, 70(6):703- 710.

[29] Kofink D, Boks MP, Timmers HT, et al. Epigenetic dynamics in psychiatric disorders: environmental programming of neurodevelopmental processes. Neurosci Biobehav Rev, 2013, 37(5):831-845.

[30] Xu MQ, Sun WS, Liu BX, et al. Prenatal malnutrition and adult schizophrenia: further evidence from the 1959-1961 Chinese famine. Schizophr Bull, 2009, 35(3):568-576.

[31] Veldic M, Kadriu B, Maloku E, et al. Epigenetic mechanisms expressed in basal ganglia GABAergic neurons differentiate schizophrenia from bipolar disorder. Schizophr Res, 2007, 91(1-3): 51-61.

[32] Suderman M, McGowan PO, Sasaki A, et al. Conserved epigenetic sensitivity to early life experience in the rat and human hippocampus. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012, 109 Suppl 2:17266-17272.

[33] Zovkic IB, Guzman-Karlsson MC, Sweatt JD. Epigenetic regulation of memory formation and maintenance. Learn Mem, 2013, 20(2):61- 74.

[34] Nestler EJ. Epigenetics: Stress makes its molecular mark. Nature, 2012, 490(7419):171-172.

[35] Kaelin WG Jr, McKnight SL. Influence of metabolism on epigenetics and disease. Cell, 2013, 153(1):56-69.

[36] Gluckman PD. Epigenetics and metabolism in 2011: Epigenetics, the life-course and metabolic disease. Nat Rev Endocrinol, 2011, 8(2):74- 76.

[37] Selmi C, Lu Q, Humble MC. Heritability versus the role of the environment in autoimmunity. J Autoimmun, 2012, 39(4):249-252.

[38] Quintero-Ronderos P, Montoya-Ortiz G. Epigenetics and autoimmune diseases. Autoimmune Dis, 2012, 2012:593720.

[39] Hedrich CM. Genetic variation and epigenetic patterns in autoimmunity. J Genet Syndr Gene Ther, 2011, 2:2.

[40] Lu Q. The critical importance of epigenetics in autoimmunity. J Autoimmun, 2013, 41:1-5.

[41] Liang MB, Hu YH, Wu YQ. Emergence of a new branch on epidemiology: Epigenetic epidemiology. Chin J Epidemiol, 2009, 30(10):1078-1080. (in Chinese) 梁明斌, 胡永華, 武軼群. 表觀遺傳流行病學(xué)——新興流行病學(xué)分支學(xué)科. 中華流行病學(xué)雜志, 2009, 30(10):1078-1080.

[42] Relton CL, Davey Smith G. Epigenetic epidemiology of common complex disease: prospects for prediction, prevention, and treatment. PLoS Med, 2010, 7(10):e1000356.

[43] Huidobro C, Fernandez AF, Fraga MF. Aging epigenetics: causes and consequences. Mol Aspects Med, 2013, 34(4):765-781.

[44] Bjornsson HT, Sigurdsson MI, Fallin MD, et al. Intra-individual change over time in DNA methylation with familial clustering. JAMA, 2008, 299(24):2877-2883.

[45] Fraga MF, Ballestar E, Paz MF, et al. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proc Natl Acad Sci U S A, 2005, 102(30):10604-10609.

[46] Fraga MF, Esteller M. Epigenetics and aging: the targets and the marks. Trends Genet, 2007, 23(8):413-418.

[47] Ho DH, Burggren WW. Epigenetics and transgenerational transfer: a physiological perspective. J Exp Biol, 2010, 213(1):3-16.

[48] Grossniklaus U, Kelly B, Ferguson-Smith AC, et al. Transgenerational epigenetic inheritance: how important is it? Nat Rev Genet, 2013, 14(3):228-235.

[49] Petruk S, Sedkov Y, Johnston DM, et al. TrxG and PcG proteins but not methylated histones remain associated with DNA through replication. Cell, 2012, 150(5):922-933.

[50] Calarco JP, Borges F, Donoghue MT, et al. Reprogramming of DNA methylation in pollen guides epigenetic inheritance via small RNA. Cell, 2012, 151(1):194-205.

[51] Jiang L, Zhang J, Wang JJ, et al. Sperm, but not oocyte, DNA methylome is inherited by zebrafish early embryos. Cell, 2013, 153(4): 773-784.

[52] Lee JT, Bartolomei MS. X-inactivation, imprinting, and long noncoding RNAs in health and disease. Cell, 2013, 152(6):1308-1323.