概述
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、基因雜合丟失和微衛星不穩定等；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表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。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。
研究內容
DNA 雙螺旋結構的發現和重組DNA 技術、PCR技術的產生促進了分子遺傳學的發展。幾十年來,人們一直認為基因決定著生命過程中所需要的各種蛋白質,決定著生命體的表型。但隨著研究的不斷深入,科研人員也發現一些無法解釋的現象:馬、驢正反交的後代差別較大;同卵雙生的兩人具有完全相同的基因組,在同樣的環境中長大後,他們在性格、健康等方面會有較大的差異,並不符合經典遺傳學理論預期的情況。這說明,在相應的基因鹼基序列沒有發生變化的情況下,一些生物體的表型卻發生了改變。同時還發現,有些特徵只是由一個親本的基因來決定,而源自另一親本的基因卻保持“沉默”。人們對於這樣一些現象無法用經典的遺傳學理論去加以闡明。現在,遺傳學中的一個前沿領域:表觀遺傳學(Epigenetics) ,為人們提供了解答這類問題的新思路。表觀遺傳學是研究表觀遺傳變異的遺傳學分支學科。表觀遺傳變異(epigenetic variation) 是指,在基因的DNA 序列沒有發生改變的情況下,基因功能發生了可遺傳的變化,並最終導致了表型的變化。它是不符合孟德爾遺傳規律的核內遺傳。由此我們可以認為,基因組含有兩類遺傳信息,一類是傳統意義上的遺傳信息,即DNA 序列所提供的遺傳信息,另一類是表觀遺傳學信息,它提供了何時、何地、以何種方式去套用遺傳信息的指令。Epigenetics 這一名詞的中文譯法有多種,常見有譯成“表觀遺傳學”、“表現遺傳學”、“後生遺傳學”、“外因遺傳學”、“表遺傳學”、“外區遺傳學”等等,現在還沒有統一的中文名稱。早在1942 年的時候, C.H.Waddington 就首次提出了Epigenetics 一詞,並指出表觀遺傳與遺傳是相對的,主要研究基因型和表型的關係。幾十年後,霍利迪(R. Holiday) 針對Epigenetics 提出了更新的系統性論斷,也就是人們現在比較統一的認識,即表觀遺傳學研究沒有DNA 序列變化的、可遺傳的基因表達改變” 。
表觀遺傳學與疾病從目前的研究來看,X 染色體劑量補償、DNA 甲基化、組蛋白密碼、基因組印記、表觀基因組學和人類表觀基因組計畫等問題都是表觀遺傳學研究的內容。
1 X 染色體失活
在哺乳動物中,雌雄性個體X 染色體的數目不同,這類動物需要以一種方式來解決X 染色體劑量的差異。在雌性哺乳動物中,兩條X 染色體有一個是失活的,稱為X染色體的劑量補償(dosage compensation) 。X染色體失活的選擇和起始發生在胚胎髮育的早期,這個過程被X 失活中心(X - inactivation center ,Xic) 所控制,是一種反義轉錄調控模式。這個失活中心存在著X染色體失活特異性轉錄基因Xist (X - inactive - specifictranscript) ,當失活的命令下達時,這個基因就會產生一個17kb 不翻譯的RNA 與X 染色體結合,引發失活。X失活中心還有“記數”的功能,即保持每個二倍體中僅有一條X染色體有活性,其餘全部失活。X 染色體的失活狀態需要表觀遺傳修飾如DNA 甲基化來維持。這種失活可以通過有絲或減數分裂遺傳給後代。X 染色體失活是表觀遺傳學研究的很好範例,它能幫助人們認識基因沉默是如何建立和通過遺傳而保持的。今後對於X染色體失活的研究還要特別關注於哪些因素調控了Xic 的功能、XistRNA 造成沉默的機制和一些像BRCAl 的蛋白質在X染色體失活中的作用等問題。
2 DNA 甲基化
甲基化是基因組DNA 的一種主要表觀遺傳修飾形式,是調節基因組功能的重要手段。在脊椎動物中,CpG二核苷酸是DNA 甲基化發生的主要位點。CpG常成簇存在,人們將基因組中富含CpG的一段DNA 稱為CpG島(CpGisland) ,通常長度在1kb～2kb 左右。CpG島常位於轉錄調控區附近,DNA 甲基化的研究與CpG島的研究密不可分。在DNA 甲基化過程中,胞嘧啶突出於DNA 雙螺旋並進入與胞嘧啶甲基轉移酶結合部位的裂隙中,該酶將S - 腺苷甲硫氨酸(SAM) 的甲基轉移到胞嘧啶的5′位,形成5 - 甲基胞嘧啶(5 - methylcytosine ,5MC) 。體內甲基化狀態有三種:持續的低甲基化狀態,如持家基因;誘導的去甲基化狀態,如發育階段中的一些基因;高度甲基化狀態,如女性的一條縊縮的X 染色體。DNA 甲基化主要是通過DNA 甲基轉移酶家族(DNAmethyltransferase ,Dnmt ) 來催化。DNA 甲基轉移酶分兩種:一種是維持甲基化酶,Dnmtl ;另一種是重新甲基化酶如Dnmt3a 和Dnmt3b ,它們使去甲基化的CpG位點重新甲基化。在細胞分化的過程中,基因的甲基化狀態將遺傳給後代細胞。但在哺乳動物的生殖細胞發育時期和植入前胚胎期,其基因組範圍內的甲基化模式通過大規模的去甲基化和接下來的再甲基化過程發生重編程,從而產生具有發育潛能的細胞。
DNA 甲基化影響到基因的表達,與腫瘤的發生密切相關。甲基化狀態的改變是致癌作用的一個關鍵因素,它包括基因組整體甲基化水平降低和CpG島局部甲基化程度的異常升高,這將導致基因組的不穩定(如染色體的不穩定、可移動遺傳因子的激活、原癌基因的表達) 。把癌基因組學與表觀遺傳學的研究結合起來,是癌症研究的發展趨勢。人類的一些癌症常出現整個基因組DNA 的低甲基化,但人們並不清楚這種表觀遺傳變化是腫瘤產生的誘因還是結果。研究者構建了攜帶低表達水平Dnmtl 基因的小鼠,對它的研究結果顯示,DNA 低甲基化可能通過提高染色體的不穩定性來促進腫瘤的形成。同時指出,通常使用DNA 甲基轉移酶抑制劑來治療人和小鼠的癌症,其療效可能是由於這些抑制劑恢復了腫瘤抑制基因的活性。但是這種導致DNA 低甲基化的治療方式,可能在防止一些癌症發生的同時,也會造成基因組的不穩定並增加其他組織罹患癌症的風險。這些都是需要繼續深入研究的問題。
3 組蛋白密碼
環境因素的致病過程染色體的多級摺疊過程中,需要DNA 同組蛋白(H3、H4、H2A、H2B 和H1) 結合在一起。研究中,人們發現組蛋白在進化中是保守的,但它們並不是通常認為的靜態結構。組蛋白在翻譯後的修飾中會發生改變,從而提供一種識別的標誌,為其它蛋白與DNA 的結合產生協同或拮抗效應,它是一種動態轉錄調控成分,稱為組蛋白密碼(histone code) 。這種常見的組蛋白外在修飾作用包括乙醯化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP 核糖基化、羰基化等等,它們都是組蛋白密碼的基本元素。與DNA 密碼不同的是,組蛋白密碼和它的解碼機制在動物、植物和真菌類中是不同的。我們從植物細胞保留有發育成整個植株的全能性和去分化的特性中,就可以看出它們在建立和保持表觀遺傳信息方面與動物是不同的。在組蛋白的修飾中,乙醯化、甲基化研究最多。乙醯化修飾大多在組蛋白H3 的Lys9 、14 、18 、23 和H4 的Lys5 、8、12 、16 等位點。對這兩種修飾結果的研究顯示,它們既能激活基因也能使基因沉默。甲基化修飾主要在組蛋白H3 和H4 的賴氨酸和精氨酸兩類殘基上。研究也顯示,在進化過程中組蛋白甲基化和DNA 甲基化兩者在機能上被聯繫在一起。
4 基因組印記
人們在研究中發現,來自雙親的某些等位基因,在子代的表達不同,有些只有父源的基因有轉錄活性,而母源的同一基因則始終處於沉默狀態,另一些基因的情況則相反。這是由於源自某一親本的等位基因或它所在染色體發生了表觀遺傳修飾,導致不同親本來源的兩個等位基因在子代細胞中表達不同。在基因組中的這類現象就是基因組印記(genomic imprinting) 。研究者在植物、昆蟲和哺乳動物中都發現了基因組印記現象。
印記基因在發育過程中扮演重要的角色,它們一般在染色體上成簇分布。在小鼠和人體中已知有八十多種印記基因。等位基因的抑制(allelic repression) 被印記控制區(imprinting control regions , ICRs) 所調控,該區域在雙親中的一個等位基因是甲基化的。ICR 在不同區域中對印記的調控存在差異。在一些區域中,未甲基化的ICR 組成一個絕緣子阻止啟動子和增強子間的相互作用;在其它區域中,可能有非編RNA(non - codingRNAs) 的參與,這種沉默機制與X染色體失活相似。在配子形成時期,非組蛋白和附近的序列單元可以影響到差異甲基化的建立。在基因印記維持的研究中,人們注意到表觀印記的反常可能在人體中導致複雜的疾病;胚胎培養、體細胞核移植和體外繁殖過程都會影響到印記;一些環境因素,比如食物中的葉酸也會破壞印記。但人們對於這些過程的機理知之甚少。
基因組印記的研究促使人們去重新思考遺傳學的“中心法則”。人們知道環境可以影響到由遺傳因素所決定的表型,“中心法則”向人們闡述了遺傳因素的作用原理,但無法說明環境因素作用於基因表達過程的分子機制。基因組印記給了研究者合理的解釋:環境變化可以促成基因表觀修飾,表觀修飾也可能引起基因突變,這種變化可以發生在生殖細胞中,並傳遞給下一代。這樣就很好地解釋了環境因素對於遺傳的影響過程。我們對“獲得性”性狀和“返祖”現象可以這樣去認識:這些現象可能是因為一組基因,它們的活性已經被表觀修飾所抑制了,後來由於一些因素的作用造成它們表觀修飾的變化而恢復了活性。
5 表觀基因組學和人類表觀基因組計畫
表觀遺傳學使人們認識到,同基因組的序列一樣,基因組的修飾也包含有遺傳信息。研究基因組水平上表觀遺傳修飾的科學稱為表觀基因組學(epigenomics) 。1999 年在歐洲成立了一個研究表觀基因組的機構,即人類表觀基因組協會( Human epigenome Consortium , HEC , http :/ / www. epigenome. org) 。該協會在2003 年10月正式宣布開始實施人類表觀基因組計畫( HumanEpigenome Proiect ,HEP) 。人類表觀基因組計畫是要繪製出不同組織類型和疾病狀態下的人類基因組甲基化可變位點(methylation variable position ,MVP) 圖譜。MVP也就是指在不同組織類型或疾病狀態下,基因組序列中甲基化胞嘧啶的分布和發生機率。這項計畫可以進一步加深研究者對於人類基因組的認識,為探尋與人類發育和疾病相關的表觀遺傳變異提供藍圖。
從表觀遺傳現象的認識到對表觀遺傳學的深入研究和現在開始不久的人類表觀基因組計畫,一套體系完整的表觀遺傳學學科藍圖已經展現在世人的面前。這些研究成果正激勵著人們去探索這片有著巨大潛力的前沿領域。
心血管的表觀遺傳學
一般認為疾病的發生如腫瘤、心血管病等都是外在因素（危險因子）與遺傳因素（基因）相互作用引起DNA序列變異所產生的。其實不然，絕大多數疾病，基因序列並沒有改變，只是基因的修飾加工和表達的異常所引起的，這就是表觀遺傳學（Epigenetics）。
表觀遺傳學包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑、非編碼RNA（ncRNA）調控、假突變等等。它們並不影響DNA序列的變化，卻可調控基因的表達、轉錄和蛋白質的生成，進而調節胚胎的發育、細胞的分化、器官的生成、炎症與免疫、組織的修復、退化與 衰老等等一切生命活動的功能。它是近20年來醫學生物學的一個突出進展，它不僅擴大了基因遺傳密碼的儲存信息，補充和完善了“中心法則”；而且由於基因修飾的漸進性和可逆性，更豐富而靈活地擴大了基因的調控能力和表型效應；表觀遺傳學還是外界環境因素和內在遺傳因素相聯繫的橋樑和紐帶，使機體更能適應外界環境的變化；保持基因組的穩定性和“自穩態”的平衡功能，使人類的生存能力更有保障。
心血管表觀遺傳表觀遺傳學它在疾病的發生和發展上起著十分重要的作用。表觀遺傳學的調節異常，將可產生多種疾病，包括腫瘤、代謝、遺傳、免疫、炎症、感染、心血管等多種疾病。套用表觀遺傳學，不僅可以深入研究和了解各種疾病的發病的機理，而且可以發現和尋找到疾病發生的預警分子和防治靶分子，在疾病的診斷和防治中發揮重大 的作用。近年來，在這方面已經獲得了巨大進展。隨著人類表觀遺傳學圖譜的公布（Nature 462:315, 2009）和表觀遺傳學檢測技術(Nature 454:795, 2008等)的進展，未來10年，表觀遺傳學將有更大的發展。
心腦血管病、特別是動脈粥樣硬化、腦卒中、糖尿病和脂代謝異常等都是環境因素與遺傳因素相互作用所引起的疾病，其中環境因素起著重要作用（如高HCY、生活習性等）。表觀遺傳學應該在心腦血管病的發病和防治中，占有十分重要地位。經Pubmed查詢，在過去的十年里，腫瘤研究的相關報告逾萬篇，而有關心腦血管病表觀遺傳學的研究報告不足千篇，DNA甲基化和組蛋白修飾的報告還不滿200篇；遠遠低於腫瘤的研究報告，只及腫瘤研究的1/20。而心腦血管病亦是細胞增殖性疾病，其發病遠高於腫瘤，因此，今後十年，心血管病表觀遺傳學的研究，將會具有很大發展空間和研究的前景。我們必須大力加強心臟血管病表觀遺傳學的研究。
