生命之初，新在哪里：我们为何生而不同*

于文强

复旦大学生物医学研究院，复旦大学上海医学院生物化学与分子生物学教研室，复旦大学代谢与分子医学教育部重点实验室，上海 200032

生命之初，新在哪里：我们为何生而不同*

于文强†

复旦大学生物医学研究院，复旦大学上海医学院生物化学与分子生物学教研室，复旦大学代谢与分子医学教育部重点实验室，上海 200032

新生命究竟“新”在哪里？经典的遗传学观念认为基因决定表型，但同卵双生的双胞胎基因几乎完全相同，为何依然存在很大差别？越来越多的研究证实，代际间的表观遗传改变决定了我们生而不同。表观遗传学是指独立于DNA序列改变的遗传，主要包含DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等。本文生动形象地介绍了表观遗传的概念及核心内容，重点描绘了表观遗传修饰(包括DNA甲基化和组蛋白修饰)在早期胚胎发育过程中的动态变化，有助于我们深入理解表观遗传在新生命发生过程中的作用。

新生命；表观遗传学；早期胚胎发育；DNA甲基化；组蛋白修饰

《圣经》上说：人“必须重生”。从生物学角度，“重生”意味着在已有生命的基础上再造一个新生命。婴儿孕于母胎，发育生长直到出生，这是生命的奇迹，无穷无尽的奥秘蕴藏其中。所谓的“生容易、活容易，生活不容易”，那是因为对生命诞生的本质不了解，实际上“生”才是最不容易的事，可谓“九死一生”。

生命诞生之初，千万精子大军各显神通，最后只有一个幸运儿能够在“黑灯瞎火”中遇到它梦中的“情人”，其他的精子只能是“出师未捷身先死，长使英雄泪满襟”了。但这只是万里长征第一步，能否修成正果，取决于受精后序贯发生的一系列生命事件。生命的诞生是一场不容有任何差错的接力赛，稍有差池必将万劫不复。

1 表观遗传推动着生命的有序变化

生命如此奇妙，千百年来引无数英雄竞折腰。有多少人在一遍又一遍地拷问，生命究竟是什么？问题看似简单，但从不同的角度就有不同答案，难以给出一个标准答案。然而，生命现象又无时无刻不发生在我们周围，从低等生物到高等生物，从肉眼看不见的细菌到郁郁葱葱的大树，从讨厌的蚊蝇到惹人爱怜的宠物，再到自诩为“万物之灵长”的人类，它们共同让这个星球生机盎然。

生命有一个共同的特征：必须有一段特定的序列。DNA(或RNA)序列由腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)(或尿嘧啶)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)4个简单的字母(碱基)组成；而执行生命功能的蛋白质由20种不同的氨基酸所组成。但实际上，当一个生命个体死亡后，其DNA序列具有一定的稳定性，还会存在很长一段时间，因此“序列就是生命”这一说法并不准确。

那生命又是什么？生命的另一个特征是有序的变化。如随着季节的更替，树叶由绿而黄，所谓的“一叶知秋”就是对变化生命的完美诠释。类似地，人从出生那天起，就要慢慢地长大，从懵懂的幼儿到朝气蓬勃的少年，从踌躇满志的青年再到成熟稳重的中年，最后步入白发婆娑的老年。人生是一条单行线，所谓的长生不老或返老还童仅是美好的愿望和梦想，这些只是科幻电影或童话故事中的桥段。因此，有序变化是生命的重要特征，从另一个角度来讲，永葆青春也许意味着生命的终结。有序变化才是生命永恒的主题！

在变化的生命长河中，是什么推动着生命有序变化和生生不息？那就是表观遗传学(epigenetics)。简单来说，表观遗传是不依赖于DNA序列的遗传。它主要包括三个相对独立又相互关联的方面：DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的调控[1](图1)。我们从父母那里继承DNA序列，但在我们短暂而又漫长的人生中，它们几乎不会变化，而DNA之外的信息却随时随地在变化着。生命不仅要有变化，还必须对外界的刺激做出反应。同卵双生的双胞胎尽管有几乎完全相同的DNA序列，但他们总会存在这样或那样的不同。类似地，世界上没有两片相同的树叶，这些用遗传学理论很难解释的现象，用表观遗传学可迎刃而解。生命的表观遗传特征让世界变得精彩异常。

生物体对外界环境变化的响应是生命现象的另一个重要特征。生物体中内在表观遗传变化正是生命自身对外界环境的忠实记录和总结，因此从这个意义上来说，表观遗传学是连接生命衍变与环境响应的桥梁。

图1 表观遗传调控机制：DNA中的碱基序列构成遗传学信息，而DNA甲基化、组蛋白修饰、组蛋白变体以及非编码RNA等在不同的层面调控基因表达[1]

2 生命之初，表观遗传就已执行任务

伴随着新生儿的第一声啼哭，一个新生命诞生了。人们习惯于将出生的那一天看成是新生命的开始，但这仅仅是社会属性赋予的意义。一个人生物学意义的诞生之日，即真正起点，是精子和卵子结合形成一个独一无二的新细胞的那一刻，因此，受精卵才是新生命的开端。受精卵经过卵裂，形成2个细胞，然后经过4细胞期、8细胞期，最后到囊胚期，经由输卵管进入宫腔，在子宫内膜着床发育。这个过程就像种子扎到土壤中一样，最后发育成一个新的生命个体。

新生命的诞生并不像描述得那么简单，而是存在着各种机缘巧合。通俗地讲，就是要具备天时、地利、人和。卵子排出后仅可存活1天，而且只有前半天有受精能力，精子必须在这段时间遇到卵子才能受精，这便是天时。何为地利？卵细胞直径大小约0.2 mm，而精子总长度约0.05 mm。如果将输卵管比作高速公路，大部分精子在这场马拉松式的长跑中，只能遗憾地与卵子擦肩而过，失去受精的机会，所以跑得好、跑得快，不代表赶得巧。不仅如此，输卵管中的环境也是受精卵发育的重要条件，因为在体外普通细胞培养条件下，受精卵根本就不会分裂，即使勉强到二细胞期也会停止分裂，称为“二细胞魔咒”。现在广泛使用的干细胞培养基配方也是得益于对输卵管液的成分解析。所谓人和，就是受精卵在分裂到4细胞期时必须要有一个没有遗传缺陷的正常细胞。有研究表明，在胚胎早期的4细胞期中经常有3个细胞都是不能正常发育的“坏”细胞，它们存在染色体断裂或缺失，可能原因是胚胎早期全基因组DNA低甲基化导致的染色体不稳定。想象一下，最后那个没有缺陷的细胞“独苗”，还需要经过近10个月的发育，才能真正地形成一个完整的生命个体，正所谓“艰难困苦，玉汝于成”。从这个角度来讲，每一个出生的个体都是自然选择的胜利者，生命历程中的幸运儿。所以，我们的人生历程和“历经磨难的出生”比起来，简直不值一提。尚未出生，我们就趟过千难万险。

3 新生命不同凡响的“新”意义

每一个生命诞生，我们总将其称之为“新生命”，但“新”在哪里？我们与父母亲有哪些不同？从遗传学上讲，生命的“新”是因为我们将父母的遗传物质合二为一，数学公式：1+1=1，在此条件下依旧成立。细胞中的46条染色体一半来自父亲，另一半来自母亲，依此看来我们是“新人”。但我们的兄弟姐妹也同样继承了父母各自一半的遗传物质，跟他们比起来，怎么理解我们依然是“新的”，尤其是同卵双生的双胞胎？虽然他们的遗传物质几乎完全相同，但还是有这样或那样的不同，形似而神不似，看来仅凭遗传学，很难理解一个崭新的生命。

从另一个角度看来，在新生命的诞生初期，受精卵的发育分化经历了巨大的表观遗传学变化。人体DNA序列的A、T、C、G四种碱基，其甲基化一般发生在胞嘧啶C上，其检测和功能研究是表观遗传学的核心内容。利用DNA甲基化抗体进行免疫荧光检测发现，在胚胎发育早期全基因组DNA甲基化明显减少，父原核的DNA甲基化最先去除，在4细胞期DNA甲基化仅剩下为数不多的荧光斑点，这种低甲基化状态一直维持到囊胚期，当胚胎在子宫着床后DNA甲基化迅速得以恢复[2](图2)。

需要强调的是，虽然来自父母的甲基化都要经历一个去甲基化的过程，但是去甲基化的速率明显不同。单碱基分辨率的全基因组DNA甲基化测序分析发现，来自父原核的DNA甲基化36 h内降到最低，但是来自母原核的DNA甲基化去除需要较长时间，这提示来自父母双方的甲基化去除并不同步。事实上，胚胎细胞的DNA甲基化并不需要全部去除，大约会保留20%[3]。这一点非常重要，至少目前认为印迹基因DNA甲基化必须受到特殊保护并确保不被去除，因为印迹基因保证了某些基因分别由父源或母源表达，这才有了新生命的诞生过程中“爸爸妈妈一个都不能少”的说法，而这些DNA甲基化对维持印迹基因表达调控具有重要作用(图3)。

我们不禁要问，为什么在胚胎早期发育中，来自父母的基因组DNA甲基化要经历一个去甲基化过程，然后又要恢复到一个正常的甲基化水平[4]？一个较为经典的解释就是，我们每一个新生命必须将父母的表观遗传学特征全部去除，然后在此基础上形成我们每一个生命个体独特的甲基化谱系，进而造就我们独一无二的新生命，这种解释看似合理，实际上还需要大量实验佐证。

4 甲基化一降一升，彰显生命更替

胚胎早期的DNA去甲基化，随后再甲基化到一定的水平，这一独特的生命现象还有其他生物学意义吗？有研究表明，如果阻断胚胎早期的DNA去甲基化过程，胚胎的正常发育就会停止。此外，如果用DNA甲基化的抑制剂处理细胞，降低全基因组DNA甲基化水平，将有效促进iPS细胞的形成或提高核移植的效率[5]，说明DNA的去甲基化过程是胚胎发育的重要前提条件。另外一个很重要的问题是，胚胎早期的去甲基化过程是一个主动的过程还是一个被动的过程？目前的证据倾向于DNA去甲基化在胚胎发育中是一个主动的过程，至少父源基因组是通过去甲基化酶Tet3介导的，这种酶会将甲基化的胞嘧啶转变为5-羟基胞嘧啶，再经过一系列的氧化过程，最后通过DNA的碱基切除、修复，完成DNA的去甲基化[6-7]。母源性的基因组有部分证据显示是通过细胞分裂被动稀释完成去甲基化过程的，但更多的证据支持母源性DNA也存在主动的去甲基化过程。

图2 小鼠胚胎早期DNA甲基化的擦除[2]。(a)～(e)小鼠一细胞胚胎的5-甲基胞嘧啶免疫荧光：(a)受精后3 h合子中两个原核(＞10)的甲基胞嘧啶标记(圆括号中的数字表示分析的胚胎数)；(b)6 h的雄原核和雌原核(＞10)；(c)8 h后的甲基化的雄原核(＞20)，小一点的雌原核保持甲基化；(d)阿非迪霉素处理的一细胞胚胎在雄原核(＞20)中显示出去甲基化；(e)第一个细胞中期。(f)～(j)对照组，一细胞胚胎的抗DNA的免疫荧光显示两套染色体都可以接触抗体分子：(f)3 h(＞5)；(g)6 h(＞5)；(h)8 h(＞5)；(i)阿非迪霉素处理(＞5)；(j)第一个细胞中期。(k)和(i)2细胞期胚胎甲基化胞嘧啶染色，分别为22 h(＞20，(k))和32 h(＞20，(i))，显示雄性和雌性组分含有不同的甲基化水平；(m)4细胞期胚胎在45 h(＞10)。雌性的甲基胞嘧啶染色比2细胞胚胎期的弱。比例尺：10 mm

令人不解的是，胚胎早期Tet3介导的DNA去甲基化过程的最后一步，是通过DNA的碱基切除修复完成的[8](图4)。在精卵结合后的36 h内完成大量碱基切除、修复且要维持基因组的稳定，似乎又是一个不可能完成的任务。此外，早期胚胎发育为什么要冒破坏基因组稳定的风险来完成DNA的去甲基化过程？有人提出胚胎早期DNA的去甲基化过程，也许存在由其他因子介导的直接的或一步的去甲基化过程，而这需要更多的证据加以证明。

图3 胚胎发育过程中的DNA甲基化动态变化[4]

图4 着床前胚胎5-甲基胞嘧啶及其氧化产物的动态变化[8]

有意思的是，生殖细胞在发育过程中也要经历一个全基因组DNA甲基化的去除再恢复的过程[9](图5)。有证据表明Tet3也参与了这一过程[10]，而且，DNA甲基化的恢复在男孩和女孩间有所不同，男孩在出生后生殖细胞的DNA甲基化就得到恢复，而女孩要等到月经初潮时DNA甲基化才完全恢复，而这其中的机制目前尚不清楚。生殖细胞的DNA甲基化的动态变化更加凸显了生命的神奇之处，我们的下一代已经将尚处在胚胎时期的个体DNA甲基化去除，然后形成生殖细胞特有的DNA甲基化模式，如此循环往复，保证我们生命延续过程的一次又一次更新，一代又一代相似而不同。

DNA甲基化，作为重要的表观遗传学标志，其在胚胎早期的变化揭示了我们的个体不同于父母的表观遗传学上的原因，而组蛋白修饰作为另一种表观遗传学的调控方式在胚胎早期同样经历了一系列的变化[11]。参与基因激活的精子来源的组蛋白修饰H3K4me3会在受精卵中被擦除，而卵细胞中的一种较为宽泛的组蛋白修饰H3K4me3(非经典修饰)在受精卵的早期短暂保留后在二细胞末期也会被迅速擦除，然后胚胎再建立起新的经典H3K4me3模式[12-14]。

与DNA甲基化动态变化不同，这种新的组蛋白修饰模式不是在胚胎着床后才建立，而是提前到二细胞末期就逐步建立起来。进一步的研究发现，参与基因沉默的组蛋白修饰H3K27me3则呈现不同的动态变化[11-13](图6)。在受精后，精子来源的组蛋白修饰H3K27me3很快被擦除，而卵子来源的H3K27me3仅在发育相关基因的启动子区域被擦除，随后在胚胎着床后这种组蛋白修饰H3K27me3又会重新建立，这种卵子来源的与基因沉默有关的修饰跟DNA甲基化类似，共同形成生命个体独有的表观遗传学模式，开启生命延续的新征程。

图5 发育过程中的DNA甲基化动态变化[9]

图6 小鼠早期胚胎发育过程中的H3K27me3动态变化[11]

5 新生命，新起点，探索永在路上

“龙生龙，凤生凤，老鼠的儿子会打洞”，这种说法承载了亲代与子代生物学行为和社会学行为的延续。然而，作为一个新生命，我们总想知道我们到底与父母亲有哪些不同，这些不同又是如何形成的。每一个独立的个体不仅从父母那里继承了许多共同的东西，也有义务将它们遗传下去。这里面既包含了遗传学特性，也包含了表观遗传学特征，它们共同记录了父母和祖辈的生活轨迹，也共同决定了我们与父母不同，即我们都是独立的新生命。鉴于遗传学与表观遗传学存在相互作用和关联，父母不同的遗传物质会相互影响，进而改变特定位点表观遗传学状态，从而使我们有的地方像母亲多一点，有的地方像父亲多一点。

通过测定父母和子女外周血中某些特定细胞的基因组和表观基因基因组学特征，进而找出父母亲特征性单核苷酸多态性(SNP)，其决定了我们人与人之间的不同及患某种疾病的风险。根据这些来自父源或母源的SNP，我们可判定来自父源或母源基因在子代的表达以及DNA甲基化情况。在此基础上，我们就有可能判断哪些特征来源于父母亲的继承，哪些是我们独有的表观遗传学特征。

如果用不同品系的小鼠来完成这项实验，就可以用更多的器官组织来验证子代与亲代遗传与变异，其差别有多大，新生命到底有多“新”。新的生命，新的起点，探索永远在路上。我们不仅想知道新生命“新”在哪里，更想知道为什么是“新的”以及如何完成“新的征程”。

编者按本文选自《知识分子》微信公众号的“表观遗传学”专栏文章。

(2017年1月17日收稿)

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(编辑：段艳芳)

Why we are born to be different: starting from epigenetics

YU Wenqiang
Institute of Biomedical Sciences, Fudan University; Department of Biochemistry and Molecular Biology, Shanghai Medical College, Fudan University; Key Laboratory of Metabolism and Molecular Medicine, Ministry of Education, Fudan University, Shanghai 200032, China

Why we are born to be different? Canonical genetics believes that it is gene which determines phenotypes. However, it can not explain why identical twins with nearly the same sets of genes are still different in various characteristics. Emerging evidences support that what makes us different is epigenetics. Epigenetics refers to the study of stably heritable phenotype resulting from changes in chromatin without alterations in the DNA sequence, including DNA methylation, histone covalent modification and non-coding RNAs, etc. This review paper introduces the core concepts and contents of epigenetics vividly, depicting the roles that epigenetic modifications (DNA methylation and histone modification) play in the early embryonic development emphatically, which help us to better understand the role of epigenetics in the new life development.

new life, epigenetics, early embryonic development, DNA methylation, histone modification

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.003

*国家自然科学基金项目(31671308)、国家重点研发计划(精准医学专项)(2016YFC0900300)资助

†通信作者，长江学者特聘教授，国家重点基础研究发展计划“染色质解码的基础及医学应用基础研究”项目首席科学家，主要研究方向为非编码RNA与染色质修饰的互动与协调。E-mail: wenqiangyu@fudan.edu.cn