表观遗传及表观遗传学概述

王丽娟 刘家熙

(1首都师范大学生命科学学院 北京 100048; 2鲁东大学生命科学学院 烟台 264025)

从1928年格里菲思的肺炎双球菌转化实验到1944年艾弗里的DNA提纯和鉴定实验，再到1952年赫尔希和蔡斯的噬菌体侵染实验，前后共历经二十四年最终证明遗传物质是DNA。后来又发现RNA也是遗传物质。2013年，我国科学家发现斑马鱼子代胚胎可继承精子DNA甲基化模式，在世界上首次以实验证明精子的表观遗传信息也可以完整遗传[1]。由于表观遗传与癌症、衰老、干细胞以及克隆研究的密切关系，近年成为了研究热点。什么是表观遗传？什么是表观遗传学？表观遗传的调控机制是什么？它的应用前景怎样？本文对此进行概述。

1 从表观遗传现象到表观遗传学

1.1 表观遗传现象 经典遗传学认为,基因是生物体的结构和功能单位，一个基因决定着生命活动所需要的一种蛋白质。但是，随着研究的深入,不但发现一个基因可以编码多种蛋白质，而且还发现大量隐藏在DNA序列之中或之外其他层次的遗传信息，其中包括许多经典遗传学无法解释的遗传现象。现今知道，这些现象主要受表观遗传的调控，称为表观遗传现象。这方面的例子很多，举例加以说明:①位置效应花斑现象。1930年，著名的果蝇遗传学家Muller[2]由X射线诱变发现一种果蝇的花斑眼表型，即果蝇眼睛的局部区域呈红色，而其余的区域呈白色。这种表型不是因为DNA序列改变，而是染色体倒位或重排，造成活跃表达的基因在部分细胞中沉默，沉默是由报告基因凝聚成异染色质引起的。此现象也存在于包括酵母、哺乳动物在内的物种中。例如，啤酒酵母报告基因被插入到染色体的端粒处，它通过一种表观遗传的方式发生沉默。该报告基因的沉默或活跃状态均可被继承，导致在同一菌落中产生红白相间的花斑效应[3]。小鼠的花斑皮色也显示出位置花斑效应。皮色野生型基因常染色体区域插入到X染色体中，由于X染色体异染色质化失活，野生型等位基因被沉默[4]。②遗传印记现象。二倍体细胞中只有一个等位基因表达，且表达依赖于其亲本来源。例如，马骡是公驴与母马杂交的后代,体大、耳小而尾部蓬松; 而驴骡是公马与母驴杂交的后代,体小、耳大而尾毛较少。其原因是来自父本和母本的等位基因传递给子代时发生了某种修饰,使子代只表现出父方或母方的一种基因。③玉米副突变、哺乳动物的X染色体失活和朊粒疾病等现象都是表观遗传现象中的重要事件。而同卵双胞胎之间的微小差异、克隆猫基因组完全相同但毛皮颜色不同等现象，则是表观遗传修饰调控的结果。

1.2 表观遗传学的形成和发展 1958年，Waddington首先使用表观遗传学(epigenetics)这一名词。同年，Nanney用表观遗传学解释为何具有相同基因型的细胞可以有不同的表型，且这一现象可以持续许多代。在过去的五十多年间，随着人们对真核基因表达调控分子机制研究的深入，表观遗传学的定义不断更新。目前对表观遗传学内容的通行定义为：研究在有丝分裂及减数分裂过程中无法用DNA序列改变来解释的基因功能的可继承性改变的科学[5]。从分子角度，表观遗传学的定义则为：“在同一基因组上建立，并将不同基因表达(转录)模式和基因沉默传递下去的染色质模板变化的总和”。总体来说，表观遗传有3个特点，即可遗传性、可逆性的基因表达调节以及不涉及DNA序列的变化。

随着研究的深入，表观遗传学受到了越来越多的关注。1998年，欧盟启动“表观基因组学计划”和“基因组的表观遗传可塑性”研究计划。2001年，国际著名学术期刊《自然》杂志专门开设一期来讨论表观遗传学。2004年夏,表观遗传学第一次作为主题呈现在第69届冷泉港定量生物学会议上，表明表观遗传学最终汇聚成具有鲜明特色的生物学研究领域。国际人类表观遗传学合作组织(IHEC)于2010年在巴黎成立，并计划在第一阶段10年内标记出1000个参考表观基因组。德国于2012年启动人类表观遗传学研究计划(DEP)，其发展目标是标记测量健康细胞和疾病细胞的表观遗传基因开关。我国科技部也于2005年启动了“肿瘤和神经系统疾病的表观遗传机制”的“973”重大专项研究。

2 表观遗传的调控机制

2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是最早被发现的与基因抑制相关的表观遗传调控机制，是指 DNA 序列中腺嘌呤(A)或胞嘧啶(C)在甲基化转移酶的催化下与甲基发生共价结合, 并在细胞分裂过程中传递给子细胞的遗传现象。DNA 甲基化在细胞分化、胚胎发育、环境适应和疾病发生发展上扮演重要的角色, 是当前表观遗传学研究的热点领域之一。

例如，Rashi Halder等[6]以小鼠为模型开展两个脑区、两种细胞和三个时间点的染色质修饰的检测，发现记忆的形成和维持伴随着DNA甲基化，即DNA甲基化是构成长时记忆的重要修饰。中科院凌宏清等[7]发现，植物拟南芥调控铁离子吸收是蛋白精氨酸甲基转移酶对组蛋白对称性双甲基化修饰的结果。对于蜜蜂或蚂蚁等群居性昆虫，DNA甲基化的表观遗传调控与其社会等级分化之间存在一定的关系[8，9]。

2.2 组蛋白修饰 组蛋白修饰主要包括组蛋白甲基化、磷酸化、乙酰化和泛素化等。关于组蛋白多样性修饰及其潜藏信息的机理存在着“组蛋白密码假说”(histone code hypothesis)。组蛋白修饰可影响组蛋白与DNA双链的亲和性，从而改变染色质的疏松和凝集状态，同时影响与染色质结合的蛋白质因子的亲和性，还可影响识别特异DNA 序列的转录因子与之结合的能力，从而间接地影响基因表达，导致表型改变。例如，植物组蛋白去甲基化酶可通过调节植物基因表达，参与植物开花时间调控、花和叶片的发育和油菜素内酯信号转导途径等[10]。

2.3 非编码 RNA的作用 非编码RNA 是不参与蛋白质编码的RNA的总称。除rRNA、tRNA等外，近年来还发现了小干扰RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)以及piRNA等调控型的小分子非编码RNA。几乎所有表观遗传行为，如DNA甲基化、印迹、转位、位置效应花斑等，都受反式作用RNA介导。中科院周琪等[11]发现，被饲喂高脂食物的雄鼠的后代，表现出葡萄糖摄入异常和胰岛素耐受的症状。这种症状与新型的遗传物质转运RNA(tsRNAs)相关,精子tsRNAs对介导获得性性状的跨代传递至关重要。

2.4 染色质重塑 染色质重塑是在基因表达的复制和重组过程中,对应基因尤其是基因调控区的染色质包装状态、核小体和组蛋白以及对应的DNA分子会发生一系列的改变,造成基因表达调节所伴随的这类染色质结构和位置改变的现象。染色质重塑模式包括核小体滑动、核小体移除、置换组蛋白、改变核小体构象和组蛋白尾巴的作用等。以小鼠应激应答为例，交配之前通过更换笼盒等处理而处于应激状态的雄性小鼠，其后代对应激的应答情况会存在障碍，并且在应激小鼠精子中有9种miRNA的表达升高。Rodgers等[12]对几种microRNA靶向mRNA的分析表明，miRNAs攻击了母亲卵细胞的mRNA 。受影响的mRNA主要编码参与染色质重塑的蛋白分子去乙酰化酶(sirtuin 1)和泛素蛋白连接酶(ubiquitin protein ligase E3a )。

3 表观遗传学的应用前景

越来越多的证据表明，DNA并不是亲代将遗传信息传递到子代的唯一载体。剖析 DNA甲基化等表观遗传学现象，能够在疾病发生发展、环境因素安全评价、农作物增产和抗病研究等领域，挖掘表观遗传学的应用价值。

3.1 疾病预测和治疗 近年，随着人们饮食习惯改变、环境污染和工作与生活压力的增高，癌症、糖尿病、老年痴呆症(阿尔茨海默病)、精神疾病等的患者日益增多。科研人员在表观遗传学方面对疾病发生机理的探索和发现，有利于相应疾病的预测与治疗。以糖尿病为例，研究发现II-型糖尿病的形成和胰岛β-细胞的凋亡与miRNA-200家族有很大关联。miRNA-200的过表达能明显诱导II-型糖尿病的形成和胰岛β-细胞的凋亡[13]，或许抑制miRNA-200家族的表达可能成为一种维持胰岛细胞存活和治疗糖尿病的策略。

另外，Rashi Halder等[8]发现，记忆形成可能伴随着DNA甲基化的表观遗传修饰，研究结果也许可以为找到对抗阿尔茨海默病潜在靶向目标和预防、治疗阿尔茨海默病提供依据。

在癌症的预测与治疗方面，表观遗传机制的研究也发挥了一定的作用。例如，Pathania等[14]发现，乳腺肿瘤DNA甲基转移酶(DNMT1)的靶基因ISL1会发生高度甲基化，并且其表达水平在乳腺肿瘤和癌症干细胞中显著下调。在乳腺癌细胞中抑制DNMT 1或过表达ISL1会限制癌症干细胞群体生长。DNMT1-ISL1途径作为乳腺癌治疗的潜在治疗靶点，可能具有重要应用价值。另外，阻止癌症产生的肿瘤抑制基因CACNA2D3的甲基化，与体内乳腺癌的扩散相关联。肿瘤抑制基因的甲基化或许能够被用来预测乳腺癌患者发生癌症扩散的可能性，从而有助于决定哪些治疗策略最为有效。

3.2 衰老的预测及延缓 衰老是一个非常复杂的过程，阐明衰老相关的表观遗传机制有助于人们设计更加有效的抗衰老策略。Osamu Hashizume等[15]比较了年轻人和老年人的成纤维细胞系线粒体呼吸和DNA损伤情况后发现，线粒体的衰老不是线粒体的DNA突变积累，而是由表观遗传调控。研究还确认了两个调节线粒体甘氨酸生产的特殊基因CGAT和SHMT2，通过甘氨酸治疗可能逆转老年人成纤维细胞年龄相关的线粒体呼吸缺陷。甘氨酸补充剂或将能改变老年人的生活。另外，测量全基因组甲基化标记物能够精确量化实际老龄速率，预测机体衰老程度。对骨质疏松模型的表观遗传研究表明，通过抑制DNA甲基化能够有效减少骨质疏松[16]，将来或许可为治疗骨相关疾病尤其是衰老引起的骨质疏松的治疗策略提供新的启发。

3.3 环境因素安全评价 对1958～2012年经典双胞胎研究的统计数据表明，环境和遗传因素对于个体特性差异的影响各占一半。有些特性甚至更多地由环境影响，例如，我们的社会价值观就有70%受环境影响[17]。环境中的化学因素、物理因素、生物因素和精神心理、营养饮食等表观遗传学改变，已被证实与疾病密切相关。以营养饮食与表观遗传现象的关系为例，2015年12月《细胞代谢》期刊在线发表了一篇文章，证实男性的体重会影响精子的表观遗传，从而将父亲的饮食信息传递给后代，甚至影响后代的肥胖几率。2015年12月发表在《科学》杂志的成果进一步证实，雄性老鼠的饮食习惯以RNA片段的形式通过精子传递给后代，并影响后代的基因表达[18]。如果父亲的确可以影响后代健康的话，就可以考虑给予男性一些饮食和环境等方面合理的建议。

最新研究还发现，X染色体失活可能是试管婴儿男孩多于女孩的真正原因,研究人员通过在胚胎植入前的培养环境中添加视黄酸有效扭转了体外受精小鼠的性别比例[19]。该研究也许表明,可以通过改变胚胎植入前体外受精胚胎的生长环境，来逆转人口性别比例失调的现象。

此外，对动植物发育、多能干细胞自我更新和多能分化等的表观遗传学调控研究，有望能够为人类进行农作物改良、提高生产能力和疾病治疗提供指导。总之，表观遗传学研究逐步深入，其应用前景越来越广泛，与人类的关系也逐渐密切。科学的发展是无止境的，更多的表观遗传学奥秘有待发现。