表观遗传学与人类基因组

人类基因组测序计划完成后，科学家们利用已知的人类基因组序列开始了新一轮的生物学研究热潮，其中的研究热点之一就是揭示调节基因表达的根本原因。同时，随着对实验动物特别是克隆动物生物学性状的了解以及人们对众多疾病的深入研究，科学家发现，除了基因组DNA外，还有基因组之外的大量遗传学信息调控着基因的表达，一个新的学科——表观遗传学（epigenetics）应运而生。表观遗传学是指在没有DNA序列变化的基础上，基因表达的可遗传性的改变。表观遗传学的研究已成为基因组测序后的人类基因组重大研究方向之一。这一飞速发展的科学领域从分子水平揭示了复杂的生物学现象，为解开人类和其他生物的生命奥秘、造福人类健康带来了新希望。

DNA序列不是遗传的唯一信息

在遗传学上，把生物个体表现出来的性状叫做表现型（表型），如头发的颜色，与表现型有关的基因组成叫做基因型。人类基因组计划完成后，众多生物学问题仍然无法解答，一系列疑问依旧困扰着生物学家：为什么具有相同基因型的个体却有不同的表型？为什么同卵双生的双胞胎具有相同的DNA序列，但却存在表型的差异，以及疾病易感性的差异？为什么存在组织特异性基因表达的差异？为什么克隆动物表现出生长发育的异常甚至易于死亡？人们在不断出现的问题中开始意识到生物的表型不仅仅是DNA基因型所决定的，还有其他因素的参与，“DNA基因决定论”逐渐暴露出其局限性。难道DNA序列不是遗传给后代的唯一遗传信息？带着疑问，科学家发现了存在于DNA之外的且能够遗传给后代的生物学信息，这些可遗传的信息和DNA相互作用，共同决定生物的表型，这其中的秘密就是表观遗传学要研究的内容。

表观遗传学是研究基因组DNA序列未发生变化、而基因表达及基因功能的诱导和维持却发生可遗传变化的科学。从现在的研究情况来看，这些变化主要集中在三大方面：DNA 甲基化修饰、组蛋白修饰以及非编码RNA的调控作用。这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。

表观遗传学研究发现，克隆动物所表现出来的低效的表观遗传重塑过程与基因印记失常、生长发育异常相联系，而且克隆技术可能导致表观遗传的各种因素不能正常调控基因的表达，因此表观遗传的失控容易导致克隆动物的死亡；同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，但由于DNA甲基化和组蛋白修饰的不同而导致了表型的差异和疾病易感性的差异。基因型相同而表型不同，以及组织特异性基因的表达都与DNA甲基化、组蛋白乙酰化密切相关。表观遗传信息的异常还导致了大量疾病的发生，这也使科学家认识到，单单从DNA序列上寻找众多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，对于某些疾病甚至可能永远找不到答案。

DNA 甲基化

甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上。DNA甲基化修饰决定基因表达的模式，即决定从亲代到子代可遗传的基因表达状态。DNA甲基化修饰主要发生在胞嘧啶上。例如，当一个基因的启动子序列中的胞嘧啶被甲基化以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表型的改变。

人类基因组中的所有胞嘧啶约有3%～4%处于甲基化状态，且甲基化的胞嘧啶并非随机

分布，而是小区段的未甲基化区域和大区段的甲基化区域交替出现。未甲基化的胞嘧啶主要分布于胞嘧啶鸟嘌呤碱基对富集区（CG富集区）内，这些CG富集区就是所谓的CpG岛。虽然CG二核苷酸是甲基化酶的最佳底物，但正常细胞的CpG岛却保持着低甲基化状态。CpG 岛通常处于众多基因的5′区域，这些区域通常包含着基因的启动子、非转录区和第一个外显子，其低甲基化状态对基因的正确表达起着至关重要的作用。

DNA甲基化需经历一个重塑过程，即在哺乳动物胚胎发生早期，DNA甲基化水平急剧下降而后再重新恢复甲基化。甲基化的产生目前有三种解释：DNA序列中可以与特定生物分子结合或者与其发生相互作用的某些片段——DNA结构域的可接近性不同，产生不同的甲基化模式；DNA自身的序列结构决定甲基化模式；其他因素如由RNA来决定甲基化模式。不管甲基化的模式如何产生，至少可以明确由于首先发生了基因沉默（基因不被表达），随后DNA才发生甲基化修饰，即甲基化是基因沉默的结果，X染色体失活和逆转录基因的研究都证明了这点，所以甲基化是维持特定基因沉默经济而有效的表观遗传方式。

在有丝分裂中甲基化模式传递的过程是：新合成的DNA链上的核苷酸均处于未被甲基化状态，而后由DNA甲基化酶依据原来DNA链的甲基化情况对新合成的链进行甲基化。但这种甲基化的传递只有95%的保真性，即细胞每分裂一次CpG岛仅有95%的可能维持原来的甲基化状态，甲基化状态的不稳定性可能导致基因表达的差异和性状的差异，这对于等位基因特异性差异表达的研究具有积极意义。

人们知道，人类基因组中所有基因都有父本和母本的等位基因（男性性染色体除外），它们是否都表达呢？研究发现，有些基因的功能受到双亲基因组的影响，打上了基因组的印记，即来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性。基因组印记（genomic imprinting）这一表观遗传学现象表明，大量基因是单等位基因表达的，也就是说只有父本或母本的等位基因表达。虽然决定哪一个亲本等位基因表达的机制还不清楚，但基因组印记与DNA甲基化密切相关。印记基因的表达与否受到ICR（印记控制中心）控制。ICR是DNA甲基化的直接靶位点，在体细胞内基因组印记靠DNA甲基化、组蛋白修饰以及聚疏蛋白复合物维持，在形成配子细胞时，基因组印记被擦除然后重塑形成父本或母本的印记状态。因为只有特定亲本的等位基因才能表达，所以基因组印记在发育过程中起到重要作用，它的异常将导致疾病发生，同时它还具有防止哺乳动物无性生殖的重要生物学意义。

组蛋白修饰

组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，是将DNA折叠形成染色质的关键蛋白。

基因正常表达除了需要相应转录因子的诱导和启动子区处于低甲基化状态外，还需要具备另外一个表观遗传学条件，即组蛋白修饰处于激活状态。组蛋白对特定氨基酸的修饰可以间接提供某些蛋白的识别信息，然后通过蛋白质和染色质的相互作用改变染色质的结构，从而调控基因的表达。需要指明的是，这种修饰本身并非特定蛋白的识别位点，而是给特定蛋白质提供信息或代码，让其能够和染色质组发生作用，这便是组蛋白密码假说。

组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和（或）乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基化和（或）乙酰化可以最终激活基因的表达，反之则抑制基因的表达。特定组蛋白羧