表观遗传学到底研究什么

「人，绝不仅仅是基因的简单累加。——Klar 1998」

尽管每一个细胞拥有着相同的遗传信息，但它们却只能遵循高度时空精确性的发育路径进行分裂或分化。那么，在这座图书馆里，是什么样的原则指导着我们在什么时候、以什么方式翻阅、去阅读什么类型的书呢？

如果把每个细胞内的染色体DNA按照逐个排列的方式进行整理， 你会发现DNA分子的总长度可达到2米，而这些DNA需要极限压缩后，才能装进一个平均直径在5～200微米的细胞的细胞核内。每一次特定基因的表达，又需要把DNA解压后才能完成。

如何实现？答案之一就是——染色质状态。DNA分子以组蛋白为核心进行缠绕，组成核小体，后者是染色质的主要组成部分。在遗传信息这座巨型图书馆内，染色质就是检索系统。染色质状态不改变，DNA就无法释放出来，基因表达也就无从谈起。有的染色质高度浓缩，呈现为纤维化状态的异染色质状态，有的则处于基因表达比较活跃的松散状的常染色质状态；一些化学分子能对组蛋白进行修饰，经过修饰后的组蛋白能实现特定基因的表达调控。所以，染色质状态的改变，对基因的表达和调控有重要的作用。

除此之外，基于DNA分子的修饰也是表达调控的手段之一。甲基分子基团能加到DNA链上的胞嘧啶碱基上，这个过程称为甲基化，甲基化的碱基能影响组蛋白，进而影响基因表达。

近几年研究发现的非编码RNA，也能实现调控作用，例如：某些非编码RNA能识别基因组并促进基因组某个区域变为浓缩状态，以此实现基因表达的调控。

这些影响基因表达调控的因素，或者说法则，无一例外都有一个相同点——它并没有直接改变基因的碱基序列，所表达的基因和翻译的蛋白没有不同。这种通过调整染色质状态，而非DNA序列，来实现基因表达调节的现象，称为：表观遗传学。

表观遗传学的表现多种多样，以下我们通过三个经典的例子向你说明。

组蛋白是核小体的结构元件，它以八聚体结构对DNA进行包装，然后进一步组装成染色质。组蛋白翻译后的修饰是其实现基因调控的核心机制。

组蛋白翻译后修饰大致分为2大类：一类是小分子化学基团的结合或改变，例如乙酰化、磷酸化和甲基化；另一大类是体积更大的肽类的修饰，包括泛素化和SUMO化。

以酿酒酵母的经典遗传学研究为例，酿酒酵母中的组蛋白按照H3/H4和H2A/H2B成对排列，它们的转录受高度调控以便和S期保持协调；当对富集了组蛋白翻译后修饰位点的组蛋白氨基端尾部进行删除后，或者对组蛋白乙酰化位点进行突变后，会直接造成基因激活程度的急剧下降，虽然这种外科手术式的操作略显简单粗暴，但这确实从侧面提示了组蛋白的乙酰化是基因转录所必需的要素之一。

脊椎动物DNA对5''CpG3''二核苷酸序列的胞嘧啶碱基会发生甲基化的共价修饰，胞嘧啶的甲基化与基因沉默是高度相关的。

甲基位于DNA双螺旋的大沟内，许多DNA结合蛋白会在这里与DNA结合，而甲基就是通过吸引或者排除各种结合蛋白——例如转录因子，来完成基因表达的调控。

哺乳动物在胚胎发育时期建立DNA的甲基化模式，在细胞分裂时通过DNA复制维持甲基化的状态。那么问题来了，为什么甲基化状态需要通过遗传来持续下去呢？

因为DNA的甲基化模式是一个复杂且需要稳定的系统，它对生物的发育、疾病控制有着重要作用。例如，对编码DNA甲基转移酶的基因进行敲除，将直接导致胚胎发育失效。在小鼠模型中，降低DNA甲基化水平，可以抑制某一类肿瘤的发展，但同时却促进了另一些肿瘤的形成。此外，如果出现单个胞嘧啶的甲基化，则会具有高度的自发性突变倾向，随着时间推移，胞嘧啶会因为脱氨基反应逐步变成胸腺嘧啶。

非编码RNA介导的表观遗传调控研究成果，来源于RNA干扰和沉默异染色质的相互联系中。

RNA干扰是宿主的一种防御机制，它能将双链RNA切割成小的RNA分子——siRNA。这将导致RNA降解或以小RNA来抑制翻译，后者的原理是siRNA与一种简称为Ago的蛋白结合并整合到一个称为RITS的复合物，这种复合物会指导染色质中着丝粒和端粒位置形成异染色质。

如果把RITS破坏掉，则会出现染色体的分离障碍，这是由于RITS的破坏，不能稳定着丝粒染色质造成的。在这个过程中，dsRNA衍生物是促使RITS复合物识别着丝粒并将其沉默的关键底物。

对表观遗传现象进行深入研究，有助于我们探寻肿瘤的发生机理、干细胞的可塑性、细胞功能再生及衰老原理等多种有深远意义的生命科学难题。

近年来，随着研究的深入，表观遗传学领域的研究方法，也逐步从最初的利用Western Blot筛选修饰位点，或利用ChIP分析基因组和目标蛋白结合方式，过渡到更高通量、更高灵敏度、更精确的分析手段。

以DNA甲基化修饰的研究切入点为例，除了使用传统的甲基化PCR进行位点分析，以及利用焦磷酸测序技术进行甲基化程度分析以外，我们还可以使用高分辨率的质谱分析技术，对低丰度的DNA修饰物、低样品量尤其是微量甚至单个细胞的样本进行快速分析。整个实验流程，只需要对DNA进行提取和纯化，然后利用S1两步酶解法将核酸样品酶解为单个核苷，就可以上样至质谱仪中进行分析，其原理也很简单，就是对胞嘧啶脱氧核苷及其修饰物的提取离子流进行检测。

此外，全基因组重亚硫酸盐测序(Whole Genome Bisulfite sequencing, WGBS) 能够无偏好性地进行单碱基分辨率检测，是进行全基因组层面甲基化图谱分析的金标准检测方案。在有明确目标基因组区域存在的情况下，经过杂交捕获后再测序则会使得测序实验更有针对性，成本也更为可控，以便增加检测的样品通量。尤其是在评估具有低水平甲基化特征的复杂样本，如液体活检中的游离DNA时，测序深度需求一般比常规全基因组甲基化测序更高，因而，在这类样本的检测中采用基于杂交捕获的试验方案更为理想。

在后基因组时代，对表观遗传学的进一步研究，将会在更精确、更高通量和更高灵敏度的技术推动下进行。而探查更多表观遗传的运作机理，将对人类生物学和疾病研究具有重要且深远的意义。

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