Nature表觀遺傳學進展將遺傳學、環境與疾病聯系了起來！

　　21世紀，表觀遺傳學的研究得到了快速發展，同時其產生了讓研究人員感興趣和憧憬的東西，當然了，這其中也存在一些大肆宣傳的成分，本文中，我們回顧了表觀遺傳學在過去幾十年里是如何演變的，同時分析了近年來改變科學家們對生物學理解的一些研究進展；我們討論了表觀遺傳學和DNA序列改變之間的相互作用，以及表觀遺傳學對細胞記憶和可塑性的影響，同時我們還考慮了環境以及代際和跨代表觀遺傳學對生物學、疾病和進化的影響。最終，我們提出了一些對人類健康有意義的表觀遺傳學研究新領域。

圖片來源：Cavalli， G， et al. Nature doi：10.1038/s41586-019-1411-0.

　　長期以來，生物學家一直在試圖理解受精卵是如何形成由數百種特殊細胞類型組成的有機體的，每一種類型的細胞都會表達一組特定的基因，而細胞的身份如今被認為是特殊基因組合表達所產生的結果；表達模式必須被建立和維持，即兩種不同但存在聯系的過程，原始細胞的多能性及細胞類型的建立在很大程度上依賴于數百種轉錄因子的協同作用，這些轉錄因子能與特定DNA序列相結合來激活或抑制細胞譜系基因的轉錄。這一建立階段通常與Conrad Waddington對表觀遺傳學的第一個定義最為接近，即研究在發育背景下基因型產生表型的機制；而維持階段通常涉及大量非DNA序列特異性染色質輔因子，其能通過細胞分裂并在長時間內建立和維持染色質的狀態，當然，有時候會缺少初始轉錄因子。這一階段更類似于研究者Nanney對表觀遺傳學的定義，而研究者Riggs和Holliday隨后對其進行了詳細闡述，研究者Bird等人則對其進行了進一步修改，即認為在DNA序列并未發生改變的情況下可替換染色質的狀態是可以進行遺傳的。DNA的甲基化最早被提出是作為表觀遺傳學信息的載體，而隨后的研究工作表明，染色質蛋白和非編碼RNAs對于這一過程也非常重要，比如，組蛋白的突變和修飾會直接或間接影響局部染色質的結構，而諸如此類修飾是可以遺傳的，且是可逆的，而且能被控制修改，最后，高階的3D染色質折疊也被認為能夠調節基因表達從而促進遺傳。

　　自1942年，“表觀遺傳學”這個詞被提出以來，其被重新定義了多次；在這篇綜述中，研究者用表觀遺傳學來表示對分子和機制的研究，這些分子和機制能在相同的DNA序列中保持替代基因的活性狀態，當然了，這種操作性定義擁有多種含義了，首先，其包括跨代遺傳和有絲分裂遺傳，以及通過長時間存在的基因活性和染色質狀態，即使是在細胞不分裂的情況下，比如在諸如成年神經元細胞等長壽的有絲分裂后的細胞中；其次，應該考慮依賴于生物系統的DNA序列，在有絲分裂遺傳過程中，首先應該考慮單個細胞的基因組序列，而在跨代遺傳過程中則需要考慮整個生物體的DNA，包括微生物群落等（如果這有助于遺傳的話）；最后，該定義（表觀遺傳學）明確地將“表觀遺傳”的用法擴展到了調節過程中，這些調節過程涉及參與表觀遺傳學的分子，即使其本身并未解決表觀遺傳記憶的功能，研究者認為，這種普遍的做法應該被接受，因為其向非專業人員傳到了表觀遺傳學研究的廣泛領域，此外，研究者已經記錄了并不涉及染色體組分的多個案例，研究其在人類群體中的廣泛傳播及人群中是否會發生相似現象非常重要。

　　在這里，研究人員分析了調節可塑性和穩定的表觀遺傳之間的相互作用，包括發育期間響應生理學刺激和疾病所發生的細胞命運和重編程事件，他們討論了非編碼RNAs、DNA甲基化、異染色質、多梳蛋白（Polycomb）和三空腔結構蛋白（Trithorax）和其3D結構如何調節表觀遺傳和基因表達的可塑性，同時研究者還分析了新技術如何使這些現象能夠從核苷酸到染色體的多個尺度上、以一種時空方式在少量甚至單個細胞中進行分析。研究者討論了一個非常熱門的話題的證據，即跨代表觀遺傳，他們重點以哺乳動物為例子進行分析，因為哺乳動物具有潛在生物醫學應用意義；此外，研究者還考慮了兩個重要的新研究領域，即環境的潛在影響和表觀遺傳學改變對基因組完整性的影響，最后研究者強調了表觀遺傳學研究如何會使人類健康獲益。

　　表觀遺傳vs可塑性

　　對不同生物學過程和模式生物進行研究后，研究者發現，染色質作為表觀遺傳信息的載體，其能在細胞分裂過程中傳播活躍和沉默的活動狀態，比如，酵母中的異染色質遺傳、X染色體的失活、哺乳動物的基因組印記、植物的春化作用、果蠅中的位置效應花斑等；這些研究結果表明，在沒有原始信號的情況下，一旦細胞分裂形成的話，差異表達狀態就會在細胞分裂過程中進行傳遞，在誘導多能性和體細胞核轉移過程中，對細胞重編程和早期胚胎發生的研究表明，染色質和DNA甲基化扮演著重要的表觀遺傳障礙的角色，其能有效抑制基因表達和細胞身份的改變。

　　表觀遺傳系統包括異染色質（HP1和H3K9me3（組蛋白3賴氨酸9的甲基化））、多梳蛋白（PRC1和PRC2）和三空腔結構蛋白（COMPASS（與SET1相關的蛋白復合體））復合體，這些復合體被認為能通過修飾染色質中的組蛋白并通過結合組蛋白標記來傳遞穩定的遺傳來維持功能反應，的確，核小體會不斷進行重組，組蛋白也會被交換，而且到目前為止，所有的DNA和組蛋白標記都是可逆的，盡管在不同基因組域中交換的速率和標記的穩定性會有所不同；因此，如果沒有緊密的自我強化循環來維持染色質狀態的記憶的話，大多數調控信號都會快速丟失，此外，通過細胞分裂所遺傳的表觀遺傳學標記需要其在DNA復制和有絲分裂中存活。這與組蛋白修飾特別相關，因為核小體并沒有基于DNA模板的復制系統，親本的H3和H4組蛋白積累會發生在其復制前位置的幾百個堿基對內，在復制過程中，其會在專用分子復合體的作用下，大致均勻分布在前導鏈和后隨鏈的DNA分子上。包括DNMT1–UHRF1， EZH2和HP1在內的染色質成熟因子能利用增殖細胞核抗原（PCNA）或復制起始識別復合體（ORC）蛋白來作為“拘束”的組分；多梳蛋白組分也能利用DNA錨定因子來傳播有絲分裂的記憶，缺少靶點DNA序列元件會導致PcG蛋白缺失及果蠅細胞分裂過程中基因的沉默，近些年來，科學家們已經記錄了多種有絲分裂保留的調節組分，包括轉錄因子和某些表觀遺傳學機器，通過減數分裂至少在一定程度上是可能的，比如母源性H3K27me3的積累控制DNA甲基化依賴性印記的能力；另外一種可能性就是，只有一小部分的標記可以通過減數分裂進行傳遞，但這可能足以在下一代中重建染色質組織。

　　由于親本核小體缺少精確的復制過程，并且其會在有絲分裂和減數分裂過程中丟失多種DNA嘉禾因子和染色體相關的組分，因此單一核小體的遺傳或許面臨著特殊的挑戰。數學模型和生物學證據表明，染色質遺傳性需要建立多個甚至數百個千堿基的結構域；實際上，現在已知的基因組時按照一系列3D結構來組裝的，從核小體碎片、到染色質環、再到稱之為拓撲結構域（TADs）的染色體域，最后到活躍或受抑制的區室和染色體區域。TADs和區室會穩定功能狀態并驅動遺傳特性發生，此外，多個表觀遺傳學機器會共同發揮作用來穩定遺傳狀態，比如，PRC2能與PRC1合作，DNA甲基化也能通過異染色質蛋白或小型RNA通路來維持。綜上所述，表觀遺傳會涉及多層，并且通常需要部分重疊信號的配合，最初依賴于DNA序列，每一層都會增加一定程度的穩定性，但每一層都是可逆的，允許在調控線索存在的情況下維持可塑性。在缺乏染色質結構域或沒有自我增強機制的情況下，染色質狀態的遺傳性或許會面臨挑戰，這或許就需要在DNA復制和有絲分裂標記期間保留轉錄因子、組蛋白突變體和組蛋白修飾因子。

圖片來源：Cavalli， G， et al. Nature doi：10.1038/s41586-019-1411-0.

　　表觀遺傳學和DNA序列突變

　　DNA序列變異和表觀遺傳學之間有著千絲萬縷的關系，染色質的狀態會影響轉錄因子的結合，DNA序列的多態性會影響染色質的狀態；染色質和DNA甲基化在人類機體中會表現出廣泛的變異，此外，其還能夠調節基因組的穩定性和突變性；轉座子元件也是表觀遺傳沉默的常見靶點，其有時會受到環境的影響，從而影響基因表達和基因組完整性。

　　表觀遺傳學的基因影響效應

　　每個個體機體的基因組都經歷了自然和環境誘導的突變，雖然大多數突變都是無作用的，但序列多態性則會影響表觀基因組藍圖，比如，對來自不同祖先家庭中的父母和兒童的染色質可及性和CCCTC結合因子（CTCF）DNA結合的分析發現，每個祖先的結合位點中有相當大一部分比例都是獨特的，差異主要能通過遺傳變異來進行解釋。CTCF能夠影響3D基因組的架構和基因表達，相關研究結果表明，表觀遺傳學藍圖的重新布線或會以突變作為結果經常發生，從另一方面來講，影響組蛋白和DNA甲基轉移酶或去甲基化酶（TET酶）、染色質重塑劑和包括組蛋白在內的染色質因子的突變經常會在疾病中出現，其效應效應可能會被治療干預措施所靶向作用。DNA序列和表觀遺傳學改變之間通常存在著神秘的關聯，這意味著突變常常可能會被忽略或被誤認為是表觀遺傳學變異，從而導致研究者的誤解。

　　突變發生過程中的染色質和DNA甲基化

　　在基因組的不同部位、生命周期的不同階段以及癌癥等多種疾病中，突變率各不相同，這依賴于細胞來源、環境暴露和癌癥類型等；突變率會被DNA甲基化和核小體定位所影響，高階染色體的折疊也會影響突變率，一項對先天性異常患者機體平衡染色體異常的大規模調查顯示，在7.3%的病例中存在與已知綜合征相關位點的TADs被破壞的狀況；在多發性骨髓瘤患者中，將Hi-C染色體捕獲與全基因組測序相結合后研究者發現，在TAD邊界處存在大量拷貝數變異斷點，其常常能被CTCF結合；此外，CTCF在人類癌癥中會經常發生突變，而且異染色質不活躍的X染色體的超突變也經常會在癌癥中被發現，這可能是由于異常增殖細胞中DNA復制壓力所致。

　　重復性基因組的角色

　　轉座子是基因組中的重要組成部分，其能夠潛在調節基因的功能，基因組能進化出多種物種特異性的機制來限制轉座子的活性，比如通過特殊RNAs或DNA結合因子來靶向作用抑制異染色質機器；在果蠅中，異染色質依賴性的機制能促進特定轉座子片段簇的表達從而產生PIWI相互作用的RNAs（piRNAs），進而抑制轉座功能；piRNAs是母體所遺傳的，其能通過乒乓系統來進行擴增，從而有效幫助機體抵御新的入侵，并且讓基因組適應這些入侵。

　　環境表觀遺傳學

　　最近，研究人員開始重點關注環境對機體發育和生理學功能的影響，基因和環境之間的相互作用能幫助闡明具有相同或不同基因型的個體如何對環境變化做出反應，而表觀遺傳學特性在環境反應中的重要性在植物中已經得到了確認，特別是以多梳蛋白為基礎的植物春花作用，但類似的過程似乎也會在一些動物物種中發生。

　　動物機體中的環境表觀遺傳學調節機制

　　在果蠅中，環境所誘導的表型會依賴于表觀遺傳學調控，其中包括跨越幾代的傳播，秀麗隱桿線蟲也會將多種環境刺激（比如病毒感染、饑餓或溫度升高）轉化為表觀遺傳學組分的修飾，饑餓和病毒感染會通過產生小型RNAs來誘導遺傳發生，這顯然是沒有染色質參與的；在沒有RNAi的情況下，溫度依賴的表觀遺傳涉及H3K9的甲基化機制（SET-25），這就表明，根據刺激類型的不同，RNAi機器和染色質調節子或會以不同的方式來驅動遺傳的發生。

　　環境影響的例子絕不僅限于有機體模型中，溫度就是許多爬行動物性別決定的主要因素，研究者指出，溫度會影響多種動物和植物中PRC2因子的功能，這就表明，通過PRC2所介導的溫度感應或許在進化上是保守的，盡管這并不是唯一可以穩定修飾染色質的環境效應。

　　哺乳動物中的代謝和表觀遺傳特性

　　DNA和染色質修飾能利用代謝產物，比如S-腺苷甲硫氨酸（SAM）就是DNA和組蛋白甲基化的甲基供體，葉酸和維生素B6、B12能夠誘導SAM產生；α-酮戊二酸（αKG）是DNA和組蛋白去甲基化所需要的，丁二酸和延胡索酸能抑制DNA和組蛋白的去甲基化，乙酰輔酶A是組蛋白乙酰化作用的乙酰基供體，β-羥基丁酸鹽能抑制1型組蛋白脫乙酰基酶，而且NAD+/NADH的比例能夠調節sirtuins（III型組蛋白脫乙酰基酶）的功能。因此，代謝的改變能夠引起表觀基因組中整體的干擾，而且突變代謝組分或許也能作為開發新型療法的潛在靶點。從一方面來講，代謝改變會影響特殊的位點并誘導持久的表觀遺傳學修飾，包括兩代間的表觀遺傳學特性，目前研究人員需要通過研究識別出環境改變、代謝改變和表觀遺傳學組分之間的直接聯系，最近有研究發現，組蛋白去甲基化酶KDM5A和KDM6A（也稱為UTX）能夠感知氧氣濃度并調節H3K4me3和H3K27me3的水平。

　　跨代表觀遺傳學和哺乳動物中的跨代表觀遺傳學

　　現代進化合成理論認為，進化主要是通過自然選擇作用于表型，最終影響DNA的序列，諸如親本、生態、行為和文化信息等非DNA的序列信息可以被遺傳，但并不會破壞進化合成的現代框架，的確，我們可以假設，DNA驅動事件的復雜鏈最終會驅動父母的行為和生態行為，因此，僅DNA序列就能夠解釋這些復雜的遺傳形式，除DNA意外，其它分子也攜帶著大量的可遺傳信息，這就代表著進化生物學中的重要概念變化。在脊椎動物中，DNA甲基化會在每一代中在全球范圍內減少兩次，即受精后立刻減少一次，在原始生殖細胞發育過程中減少一次；組蛋白標記和3D基因組的組織結構也能在種系中和受精后進行重新編程。相關研究表明，TEI（transgenerational epigenetic inheritance，跨代表觀遺傳）在人類機體中是可能的，后期研究者還要深入研究闡明其背后的分子機制，表觀基因組的關聯性研究也將作為全基因組關聯研究的補充，從而評估DNA序列和表觀基因組改變的相對貢獻。

圖片來源：Cavalli， G， et al. Nature doi：10.1038/s41586-019-1411-0.

　　表觀遺傳學、健康和和疾病

　　DNA甲基化水平的改變、組蛋白的修飾和非編碼RNA的改變在疾病中很常見，其是表觀遺傳學組分的突變，在表觀遺傳學改變中有效區分司機和乘客角色的能力，將能幫助研究者有效識別表觀遺傳特性如何影響疾病的診斷、預后和療法；而深入解析表觀遺傳學組分和其它疾病之間的相互作用或許也能幫助研究人員開發出新型組合性干預療法。

　　衰老的表觀遺傳學特性

　　機器學習在高通量DNA甲基化數據中的應用已經能夠幫助研究者確定年齡或生理年齡的指標，有研究就發現，在353個基因組位點上的CpG甲基化的改變能夠產生一個與組織年齡高度相關的分數，對不同年齡分子預測因子的比較表明，表觀遺傳學時鐘與生物年齡的相關性最高；此外，表觀遺傳學年齡也能被較高的BMI反向影響，在所調查的353CpGs中，許多位于二價基因的穩定啟動子或活性啟動子附近，這就表明，衰老可能與某些二價基因的表達的可塑性降低有關，這些基因可能會被分解為受抑制或活躍的狀態，而活躍的基因則會改變其表達水平。最近研究人員確定了一組CpG基因組位點，其或能更好地幫助預測壽命和人類的健康跨度；建立老化過程和CpG甲基化變異之間的機械關聯對于闡明機體老化的原因至關重要。

　　發展中的表觀遺傳學和疾病

　　根據流行病學研究，研究者Barker提出了胎兒或健康和疾病發生的起源假說，研究表明，在宮內胎兒發育或兒童早期的特定敏感時期，暴露于化學物質、藥物、壓力或感染等環境因素中可能會使得個體在成年后更易患病，而后來的研究結果表明，表觀遺傳學組分或許也能介導一些效應的產生；影響癌癥易感性和生物學特性的標貫基因組的長期變化也會被記錄下來，其它需要集中研究的領域則包括肥胖和糖尿病、神經性障礙和年齡相關的疾病，比如帕金森疾病和阿爾茲海默病等；胚胎發育和早期生活是兩個主要的易感性窗口，在此期間，表觀遺傳編程對環境影響非常敏感，比如飲食、溫度、環境毒素、母源性行為或童年虐待等，行為分子遺傳學研究確定了第三個易感性窗口，即青春期，在此期間，不良的生活經歷會影響機體焦慮、抑郁和攻擊行為的風險，其與特定基因的甲基化水平或HDAC1水平的改變有關。此外，記憶的形成、對環境刺激物的行為效應都與選擇性位點的組蛋白的改變和DNA的修飾有關；后續研究中，研究人員還需要闡明是否這些修飾改變存在因果關聯；更有意思的是，研究者還發現，小鼠低水平的母源性關愛會降低L1啟動子中DNMT3a和DNA甲基化的水平，同時還會誘導海馬體中L1元件的動員，這就表明，環境因素改變或會引發遺傳和表觀遺傳學特性同時發生改變。

　　癌癥表觀遺傳學

　　對特性類型癌癥或癌癥基因組數據庫進行全基因組關聯性研究后，研究者鑒別出了編碼表觀遺傳元件的基因的頻繁突變，這其中就包括DNA甲基化酶和去甲基化酶的突變等，但諸如IDH1和IDH2等代謝基因往往會影響組蛋白和DNA的甲基化，可能還會干擾3D基因組架構；重復性的DNA元件會引發癌癥，比如在霍奇金淋巴瘤中，IRF5轉錄因子基因的轉錄是由位于啟動子上有的正常休眠的內源性逆轉錄病毒長末端重復的DNA低甲基化所誘導的，在其它腫瘤中，DNA的去甲基化因子則會帶來相反的效應，盡管表觀遺傳擾動通常伴隨著癌癥驅動基因的突變，但在小鼠研究中也有零星的病例報道，即便是在沒有明顯DNA突變的情況下也能夠誘發癌癥。對胰腺癌轉移的分析中，研究者并未揭開明顯的驅動突變，取而代之的是大規模的染色質重編程，在很多染色體結構域中H3K9me3的水平都會發生改變，相關研究結果表明，表觀遺傳學改變可能在特定情況下會使致癌過程的主要驅動因素。

　　結語

　　表觀遺傳學機制會緩沖環境的改變，同時其還允許對極端環境產生可塑性的反應，從某種意義上來講，表觀遺傳學正在回歸并擴展到研究者Waddington最初的定義，人們對表觀遺傳學的一個常見誤解就是，其是擺脫DNA編碼命運的自由載體。20世紀下半葉的重大發現使得人們對DNA在進化、生物學和醫學中所扮演的角色產生了極大的興趣，從而使得DNA成為了“生命之書”。機體表型取決于基因組組成、表觀遺傳學組分和環境輸入信息的特定組合，隨著基因組學、生物化學和遺傳學越來越復雜的方法的出現，最終研究人員就能夠闡明表觀遺傳學機制影響機體生命、遺傳和進化的精細化分子機制；如今研究人員就能夠通過研究來分析表觀遺傳學機制對于生物學過程、衰老后疾病是否重要，而且相比DNA突變而言，表觀遺傳學改變也變得越來越容易逆轉，而且其靶向性也越來越強，這就使得研究人員能從功能上來檢測表觀遺傳學組分在特定疾病中的相關性，并且利用其來作為療法預后和診斷的標記，同時也能使其成為開發新型疾病療法靶點，這條研究道路將會深化科學家們的認識，開發造福人類的新型療法，而今表觀遺傳學研究領域終于走向了成熟。

　　參考資料：

　　Cavalli， G.， Heard， E. Advances in epigenetics link genetics to the environment and disease. Nature 571， 489–499 (2019) doi：10.1038/s41586-019-1411-0