現(xiàn)代遺傳學的基礎是認為基因的可控性表達實現(xiàn)了細胞的分化與增殖，進而成就了生物體的生長與發(fā)育。而眾所周知，基因組基因全部書寫在的23組染色體上，且一個生物個體體內(nèi)所有細胞的基因組基因幾乎完全相同，那么問題來了：相同的基因組如何造就不同的細胞類型？
表觀遺傳（Epigenesis）是古希臘哲學家亞里斯多德（公元前384-322年）表達的一種發(fā)育的觀點，相對于preformation（先成論），這一理論認為機體的發(fā)育不是現(xiàn)成雛形的簡單放大，而是在發(fā)育過程中逐漸形成的，后人Epigenesis其中文譯成為后成論。Waddington用這一新創(chuàng)的術語來說明，為什么有時遺傳變異并不導致表型改變，以及基因如何與環(huán)境相互作用產(chǎn)生表型。
在基因組的水平上，研究表觀遺傳修飾的領域被稱為表觀基因組學(epigenomics）。表觀基因組記錄著一生物體的DNA和組蛋白的一系列化學變化；這些變化可以被傳遞給該生物體的子代。表觀基因參與基因表達、個體發(fā)展、組織分化和轉座子的抑制過程。不同于其底層的基因，表觀基因對于個體而言并不是基本靜態(tài)不變的，而是可以被環(huán)境因素動態(tài)更改的。
2008年早期，美國國家衛(wèi)生研究院NIH宣布了一項涉及1.9億美元，時間長達5年的表觀遺傳學項目。NIH路線圖表基因組映射聯(lián)盟旨在生產(chǎn)人類表觀基因組數(shù)據(jù)的公共資源，以催化基礎生物學和疾病導向研究。聯(lián)盟利用圍繞下一代測序技術構建的實驗管道，將DNA甲基化，組蛋白修飾，染色質可及性和小RNA轉錄本在干細胞和初級體外組織中選擇，以代表常常參與人類疾病的組織和器官系統(tǒng)的正常對應物。該聯(lián)盟期望提供一系列正常的表觀基因組，這些基因組將為廣泛的未來研究提供一個比較和整合的框架或參考。
表觀遺傳學研究的核心是試圖解答：中心法則中從基因組向轉錄組傳遞遺傳信息的調控方法。
其研究內(nèi)容主要包括兩類，一類為基因選擇性轉錄表達的調控，有DNA甲基化、基因印記、組蛋白共價修飾和染色質重塑；另一類為基因轉錄后的調控，包括基因組中非編碼RNA、微小RNA、反義RNA、內(nèi)含子及核糖開關等。
測序技術方面的進步使得人們現(xiàn)在得以通過一系列分子方法對表觀基因狀態(tài)進行基因級別的測序。這些數(shù)據(jù)可分為五類，分別是對表觀基因組和表觀基因組各狀態(tài)的影響的不同的方面進行測序的結果：
組蛋白修改：染色質免疫沉淀測序（ChIP-Seq）使用抗各種組蛋白修飾變體的抗體，從而鑒定出全基因組組蛋白修飾類型。
DNA甲基化：全基因組亞硫酸氫鹽測序，簡化代表亞硫酸氫鹽測序（RRBS），甲基化DNA免疫沉淀測序（MeDIP-Seq），與甲基化-敏感限制性酶測序（MRE-Seq）可以不同分辨率鑒定DNA在基因組上甲基化的位點，分辨率最佳可達堿基等級。
染色體可達性：DNase I hypersensitive sites Sequencing（DNase-Seq）可鑒定染色質開放的區(qū)域。
基因表達：RNA測序和表達陣列可鑒定基因表現(xiàn)水準或蛋白質編碼基因。
小RNA表達：smRNA-Seq可鑒定主要是miRNA等小非編碼RNA（small noncoding RNA，snRNA）的表現(xiàn)。
DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的基因表觀修飾方式之一，在維持染 色體結構、X染色體失活、基因印記和腫瘤的發(fā)生中起著重要的作用。了解DNA甲基化的機制和功能以及在不同組織或不同個體中的差異將對人類健康與疾病研究 產(chǎn)生深遠的影響；基因組DNA甲基化作為一種重要的表觀遺傳修飾系統(tǒng)，在調控基因表達、細胞分化以及其它各種生命過程中起到了非常重要的作用。
CpG 島最早是由Tykocinski 和Max[16]發(fā)現(xiàn)并定義的。指包含限制性內(nèi)切酶HpaⅡ結合位點的小區(qū)域，因此也被稱為HpaⅡ小片段島。由于上述定義包含了許多短的重復序列，Takai 和Jones將CpG 島進行了重新的定義: 長度不小于500 bp、GC 含量不小于55%、CpG 實際含量與期望含量之比不小于0.65。
在脊椎動物中,CpG二核苷酸是DNA 甲基化發(fā)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島常位于轉錄調控區(qū)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,胞嘧啶突出于DNA 雙螺旋并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) 。
DNA 甲基化狀態(tài)并不是固定不變的。與甲基 化相似, 去甲基化也有兩種形式。一種是復制依賴 性的“被動去甲基”, 即通過阻止新生鏈上發(fā)生 DNA甲基化而達到去甲基的效果;另一種則是非復制 依賴性的“主動去甲基”。這一方面目前已經(jīng)有 了很多相關研究, 在植物中的路徑機制已經(jīng)比較清楚, 通過 5- 甲基胞嘧啶糖苷酶和堿基去除修復路徑清除 多余胞嘧啶的甲基化。但是在動物中, 雖然已經(jīng)有各種證據(jù)證明了主動去甲基化的存在, 但是其作用機制仍然存在爭議
Dnmt1 Dnmt1
Dnmt1 包含1573 個氨基酸，其C 端為保守的催化甲基化反應結構域；Dnmt1 主要是維持DNA 的持續(xù)甲基化狀態(tài)，使DNA 分子中未甲基化的那一條子鏈甲基化，從而保持子鏈與親鏈有完全相同的甲基化形式，因此Dnmt1 是一種維持甲基轉移酶。
Dnm3a和Dnm3b Dnmt3
Dnmt3a 和Dnmt3b屬于重新甲基化酶，參與DNA 甲基化的從頭合成，即對沒有甲基化的DNA 鏈進行甲基化;Dnmt3L 是一種相關蛋白調節(jié)因子，本身不具有DNA 甲基化功能，但可調節(jié)Dnmt3a 和Dnmt3b的活性，其氨基酸序列與Dnmt3a 和Dnmt3b 極其相似，但在C 端區(qū)域缺少DNA 甲基化轉移酶活性所必需的相關物質
哺乳動物
在哺乳動物中CpG 以兩種形式存在: 一種分散存在于DNA 序列中；另一種呈現(xiàn)高度聚集狀態(tài)，即CpG 島。在正常組織里，70% ～ 90% 分散存在的CpG 是被甲基化修飾的，而CpG 島則是非甲基化的。正常情況下，人類基因組非CpG 島序列的CpG二核苷酸相對稀少，并且總是處于甲基化狀態(tài)，與之相反，人類基因組中大小為100 ～ 1000bp 左右，富含CpG 二核苷酸的CpG 島則總是處于未甲基化狀態(tài)，而CpG 島常位于轉錄調控區(qū)附近，與56%的人類基因組編碼基因相關，因此基因非轉錄區(qū)CpG 島的甲基化狀態(tài)的研究就顯得十分重要。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1Mb 就有5 ～ 15 個CpG 島，平均每Mb 含10.5 個CpG 島，并且CpG 島的數(shù)目與基因密度有良好的對應關系。
無脊椎動物
在無脊椎動物中，DNA 甲基化主要發(fā)生于基因內(nèi)部，基因間區(qū)大部分未被甲基化，重復序列或轉座子區(qū)域的甲基化情況在昆蟲中幾乎不存在。在無脊椎動物中，外顯子和內(nèi)含子的甲基化模式也表現(xiàn)出較大差異，如在牡蠣中，外顯子和內(nèi)含子存在較高的甲基化水平，而在金小蜂中，內(nèi)含子的甲基化水平卻要顯著低于外顯子。
植物
研究表明，從基因表達方面研究有利于解釋雜種優(yōu)勢的機理，可以利用甲基化手段分析親本與雜交種之間存在的表型差異。Tsaftaris[19]等人對玉米雜交種和親本甲基化MSAP 分析表明，親本的甲基化程度明顯高于雜交種，由此認為雜種優(yōu)勢可能與DNA 甲基化程度降低有關。
DNA 甲基化還可以解釋作物之間的表型獨立特性?；蚪MDNA 被甲基化修飾后，影響其對環(huán)境的脅迫應答。由于植物的分生組織產(chǎn)生生殖細胞，所以在形成分生組織前的表觀遺傳可直接傳遞給后代。非生物的逆境脅迫，如鹽，干旱，熱，抗生素等，都會引起甲基化水平的改變
腫瘤
DNA 甲基化影響到基因的表達,與腫瘤的發(fā)生密切相關。甲基化狀態(tài)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(wěn)定(如染色體的不穩(wěn)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,是癌癥研究的發(fā)展趨勢。人類的一些癌癥常出現(xiàn)整個基因組DNA 的低甲基化,但人們并不清楚這種表觀遺傳變化是腫瘤產(chǎn)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(wěn)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癥,其療效可能是由于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,可能在防止一些癌癥發(fā)生的同時,也會造成基因組的不穩(wěn)定并增加其他組織罹患癌癥的風險。這些都是需要繼續(xù)深入研究的問題。
糖尿病
最新研究表明2型糖尿?。═2DM） 是由遺傳因素和環(huán)境因素交互作用引起的復雜的多基因遺傳病。表觀遺傳在T2DM的發(fā)生中發(fā)揮著重要的作用，通過microRNA、DNA 甲基化及組蛋白修飾等影響胰島β 細胞的發(fā)育和分泌功能，降低機體對胰島素的敏感性，最終導致T2DM 的發(fā)生。
心血管疾病
雖然高血壓的發(fā)病機制尚未完全闡明，但是證據(jù)顯示表觀遺傳學機制是疾病發(fā)生過程中將基因型與表型聯(lián)系起來的紐帶。DNA甲基化作為一種常見的表觀遺傳修飾，與各類心血管疾病相關。
老年退行性疾病
DNA 甲基化維持細胞功能、遺傳印記、基因表達的時空特異性中起重要作用。 年齡相關的DNA 甲基化改變，涉及到老年個體中的代謝性疾病、心血管疾病、腫瘤等增齡性疾病的發(fā)生與發(fā)展。
對表觀遺傳的研究不僅僅在于發(fā)現(xiàn)新的修飾及其酶, 更在于發(fā)掘出其深層的生物學意義。將特定的表觀修飾與生物學過程連接起來, 是表觀遺傳研究 者的一大目標。同時, 構建調控網(wǎng)絡, 找出該修飾 在特定生物學過程中賴以起作用的關鍵基因, 在表觀 遺傳與疾病發(fā)生的研究中也有著重要的意義。就DNA 表觀修飾研究而言, 一方面, 對于新發(fā)現(xiàn)的真核生物中 5hmC存在的意義有待進一步研究,另一方面, 確定 DNA 去甲基化酶及其作用機理、生 物學意義及其在疾病過程中所發(fā)揮的作用, 仍需要更 進一步的探索。
在讀完這么長的文章，你一定會在想獲取一些實戰(zhàn)經(jīng)驗。沒問題，生信技能樹正好在前幾個月提供了關于ChIP-Seq的表觀遺傳數(shù)據(jù)分析的實戰(zhàn)。
下面是實戰(zhàn)的鏈接，請有興趣的小伙伴繼續(xù)學習：
實戰(zhàn)分享一
實戰(zhàn)分享二
http://blog.sciencenet.cn/blog-2636671-981985.html
https://www.zhihu.com/question/26512948
https://baike.baidu.com/item/表觀基因組學
https://zh.wikipedia.org/wiki/表觀基因組
The summary of reserach on DNA methlayion. By 郭文媛
本文作者：lakeseafly
