Science最新专题：表观遗传学

神奇的开关

事情慢慢有了转机。科学家们发现了一种甲基分子（-CH3），它就像一个帽子：带上它，基因关闭；摘掉它，基因表达――被分别称为甲基化和去甲基化。这些数以百万计的甲基有些直接附着在DNA上面，有些则附着在某些和DNA纠结在一起的组蛋白上。当机体不希望某些基因信息被读取时，基因的“启动子”DNA就被戴上很多甲基帽，使得基因无法从那里读取，启动功能。

因此，即使携带遗传信息完全一样的两个个体，由于表达修饰上的差异，也可能会表现出完全不同的性状。

2001年，科学家们做了这样一个实验。研究者采用遗传背景完全相同的小鼠作为实验对象,来观察其皮毛的颜色。结果发现，小鼠们皮毛的颜色各种各样，从黄色到各种杂合色都有。让人意外的是，皮毛颜色的不同竟取决于它们从母鼠中继承的“agouti基因”甲基化程度高低。

2003年，美国杜克大学教授兰迪・朱特尔和罗伯特・沃特兰博士终于掀开了DNA甲基化的神秘面纱。

人们此前认为，在形成精子和胚胎前的植入阶段，细胞中的DNA甲基化几乎会完全重新洗牌，也就是说“基因修饰”没有遗传下去的可能。近些年来，越来越多的研究证明，某些甲基化是可以遗传的。

2007年，日本科学家在小鼠中发现，一种称为stella的蛋白质能够有效保护卵子中某些基因的甲基化修饰，并传给下一代。研究人员还得出结论，基因的甲基化或者去甲基化，和环境的改变息息相关。也就是说，虽然遗传信息没有改变，但环境的改变、丰富的经历、甚至不良的习惯，都有可能遗传给后代。

然而，这些对基因的表观修饰是通过怎样的方式进行，它们又是靠怎样的机制遗传下去的呢？这一切曾经是个谜。不过近年来，科学家们已经获得了一些信息。

2011年6月，马萨诸塞大学医学院的科学家们发现，当果蝇处于胁迫条件下，它们会因适应环境而发生改变：原本紧密结合在“异染色质” DNA缠绕区的一种转录因子被释放出来，这些缠绕区域得以解开并进行复制。

表观遗传并非只是DNA甲基化这么简单。科学家们发现，对基因组的表观遗传修饰还包括组蛋白（可供DNA缠绕）的修饰、染色质的重塑、微小RNA的调节等诸多内容。

上帝的礼物

1939年，生物学家Waddington率先创造了“表观遗传学”这一术语；1942年，他认为生物体从基因到基因表型之间存在一种控制，这种控制机制就是“表观遗传学”。

算起来“表观遗传学”已经走过70多个年头了。不过，得以真正绽放异彩，其实也就仅仅10余年。

科普作家戴维・申克在作品《我们都是天才，是什么误导了我们》中写到，“人‘先天与后天之争’，因为表观遗传而显得苍白无力。表观遗传学可能是自发现基因后另一项最重要的发现。”甚至有人戏称，这是上帝送给人类的礼物。之所以称为礼物，是因为在肿瘤生成和治疗、干细胞分化等诸多领域，表观遗传学扮演了重要角色。

有研究人员发现，一部分DNA甲基化在肿瘤形成的早期发生了变化。并且，它不但对肿瘤早期转化起作用，甚至也能影响肿瘤的转移。

2004年，美国食品及药品管理局首次批准了一种DNA甲基化抑制剂的新药――氮杂胞苷，用于治疗骨髓增生异常综合征。该药能通过去甲基化作用，提高“正面”基因的主导地位。据药品开发商Celgene公司介绍，重症病人服用氮杂胞苷后，寿命能延长约两年；而采用传统疗法的患者，存活期只有15个月。正因如此，不少技术人员对利用表观遗传学开发药物表现出极大兴趣。

例如，目前尚无好方法治疗药物成瘾。科学家发现，成瘾药物会导致脑区的基因调控水平的改变。即使戒药后，这些基因表达的变化仍可存月余，甚至导致病人终生心理成瘾。而表观遗传让饱受困扰的病人看到了曙光。正因为这份礼物非常厚重，所以关于它的研究持续升温，进行得如火如荼。

孙方霖认为，类似人类重大疾病、干细胞、体细胞重编程、衰老、神经科学研究等科学问题，其分子机制都离不开表观遗传调控。

而基因组学的科学家们，正尝试着找出某一特定群体之间表观遗传的差异，更好地诠释生命奥秘。