Nat Rev Genet | 20 年來表觀遺傳領(lǐng)域核心進(jìn)展之全景解讀

原創(chuàng)： ppxu [Epigenetics表觀遺傳學(xué)] 今天

在過去的 20 多年中识樱，表觀遺傳學(xué)從點(diǎn)到線鸥印，從線到面揭绑，到如今的全面蓬勃發(fā)展，并被認(rèn)為是最具潛力獲得諾貝爾獎(jiǎng)的領(lǐng)域之一盟步。2016 年藏斩，表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威 C. David Allis 和 Thomas Jenuwein 于 Nature Review Genetics發(fā)表了題為 *The molecular hallmarks of epigenetic control *的 Perspectives 文章，系統(tǒng)性回顧了過去 20 年來表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展却盘，為理解表觀遺傳學(xué)提供了全景式的解讀狰域。文章自 2016 年 8 月發(fā)表以來，至今已被引用 489 次（Google scholar 數(shù)據(jù)）黄橘。為了幫助對表觀遺傳感興趣的小伙伴深入理解表觀遺傳學(xué)兆览，我們特整理了全文的要點(diǎn)，供大家參考塞关。

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全文共分為六個(gè)部分抬探，導(dǎo)語部分簡要介紹了全文的基本內(nèi)容，第二部分《表觀遺傳學(xué)的基礎(chǔ)》簡要介紹了 DNA 甲基化帆赢、核小體和組蛋白修飾的基本概念小压，這些正是構(gòu)成表觀遺傳學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)；第三部分《染色質(zhì)狀態(tài)的酶學(xué)定義》闡明了染色質(zhì)的兩種狀態(tài)——常染色質(zhì)和異染色質(zhì)椰于，以及它們與基因活性之間的關(guān)聯(lián)场航；第四部分《表觀遺傳研究的現(xiàn)代時(shí)期》中孩饼，作者將 1996~2016 年這 20 年間表觀遺傳的研究定義為“表觀遺傳研究的現(xiàn)代時(shí)期（the modern era of epigenetic research）”瓤鼻，并從組蛋白密碼假說及相關(guān)理論并蝗、組蛋白修飾和 DNA 甲基化牲迫、非編碼 RNA 和基因轉(zhuǎn)錄沉默锋喜、核小體重塑和組蛋白變體盆佣、所有染色質(zhì)標(biāo)記都是可逆的、二價(jià)染色質(zhì)（bivalent chromatin）和表觀基因組特征等六個(gè)方面進(jìn)行闡述械荷；第五部分《發(fā)育與疾病》介紹了表觀遺傳與疾病之間的關(guān)聯(lián)共耍，并從重編程的表觀遺傳障礙、癌癥和表觀遺傳治療吨瞎、免疫防御痹兜、染色質(zhì)遺傳（記憶）等四個(gè)方面展開，其中還涉及多種表觀遺傳藥物的開發(fā)策略颤诀；最后展望部分對全文進(jìn)行了簡要總結(jié)字旭，并展望了表觀遺傳學(xué)今后的發(fā)展。

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全文超過 14400 字崖叫，可收藏閱讀遗淳，或直接跳轉(zhuǎn)至感興趣的部分。

摘要：過去 20 年（1996~2016 年）中心傀，科學(xué)家們鑒定了多種染色質(zhì)修飾酶屈暗，探索了各種刺激（生理和病理）信號引起染色質(zhì)改變的分子機(jī)制，并取得了一系列突破性進(jìn)展脂男，這使得我們對于表觀遺傳學(xué)的認(rèn)知养叛，從一系列不尋常的生物學(xué)現(xiàn)象上升為“一個(gè)具有細(xì)分功能的研究領(lǐng)域”。本文介紹了表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷程——從其歷史起源到當(dāng)下的“表觀遺傳研究的現(xiàn)代時(shí)期（the modern era of epigenetic research）”宰翅。文中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了表觀遺傳調(diào)控中的關(guān)鍵分子機(jī)制和概念進(jìn)展弃甥，這些進(jìn)展改變了我們對正常與受擾情況下生物發(fā)育的理解。

1. 導(dǎo)語

1942 年汁讼，Conrad Waddington 創(chuàng)造出了“表觀遺傳學(xué)”一詞淆攻，用以定義基因型未發(fā)生改變而表型改變的現(xiàn)象，以解釋發(fā)育的各個(gè)方面嘿架。大約 3/4 個(gè)世紀(jì)以后卜录，我們發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)模式傳遞的表觀遺傳機(jī)制并不依賴于 DNA 序列的改變，而是通過改變?nèi)旧|(zhì)的狀態(tài)眶明，而染色質(zhì)狀態(tài)同時(shí)是我們遺傳信息的生理學(xué)形式艰毒。除了 DNA，表觀遺傳機(jī)制同樣能夠穩(wěn)定基因表達(dá)程序從而確定細(xì)胞的類型搜囱。人們早已認(rèn)識到表觀遺傳調(diào)控的重要性丑瞧，但是對于何種染色質(zhì)狀態(tài)激活基因表達(dá)，何種染色質(zhì)狀態(tài)抑制基因表達(dá)（編者注：染色質(zhì)狀態(tài)像酶一樣可調(diào)控基因表達(dá)蜀肘，即染色質(zhì)狀態(tài)具有酶活性）绊汹，所知依然甚少。

染色質(zhì)免疫共沉淀測序（ChIP-seq）及其衍生技術(shù)使得人們能夠在堿基分辨率或者接近堿基分辨率水平上分析表觀基因組扮宠，同時(shí)也可以在正澄鞴裕或非正常的細(xì)胞或組織中構(gòu)建表觀基因組圖譜。在一些情況下，表觀基因組圖譜能夠更好地定義基因增強(qiáng)子和啟動子等基因關(guān)鍵調(diào)控元件获雕；其與 DNA 序列整合分析時(shí)薄腻，可深入探究疾病進(jìn)程的分子機(jī)制。絕大多數(shù)已知的表觀遺傳修飾都是可逆的届案，如果對表觀遺傳調(diào)控的這種適應(yīng)性特性加以借鑒庵楷，那么從表觀遺傳角度開發(fā)新的治療策略將大有希望。表觀遺傳學(xué)已然并將繼續(xù)成為現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)最具創(chuàng)新性的研究領(lǐng)域之一楣颠。

在文中尽纽，作者回顧了表觀遺傳學(xué)從其起源至“表觀遺傳研究的現(xiàn)代時(shí)期（the modern era of epigenetic research）”的發(fā)展歷程，作者將“表觀遺傳研究的現(xiàn)代”定義為 1996 至 2016 這二十年間的表觀遺傳學(xué)研究童漩。本文介紹了關(guān)于染色質(zhì)狀態(tài)酶活性定義的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)弄贿，這種染色質(zhì)狀態(tài)包括基因處于活性狀態(tài)的常染色質(zhì)（euchromatin）和基因處于抑制狀態(tài)的異染色質(zhì)（heterochromatin）；此外矫膨，還介紹了表觀遺傳學(xué)在染色質(zhì)穩(wěn)定性挎春、基因調(diào)控、轉(zhuǎn)錄沉默以及組蛋白修飾和 DNA 甲基化的可逆性等方面的機(jī)制進(jìn)展豆拨。這些機(jī)制上的見解反過來加深了我們對于細(xì)胞身份的理解直奋，同時(shí)也為重編程、染色質(zhì)對環(huán)境的響應(yīng)施禾、表觀遺傳治療以及染色質(zhì)遺傳等方面的研究開辟了新的途徑脚线，作者對這些方面的進(jìn)展也進(jìn)行了概述。此外弥搞，作者描述了許多突破性的發(fā)現(xiàn)邮绿，重點(diǎn)描述了一些重要的機(jī)制和概念上的進(jìn)展。文中引用了許多具有深遠(yuǎn)影響的文章攀例，但讀者有時(shí)也可參考《表觀遺傳學(xué)》教科書（Epigenetics, 2nd edition, CSHL Press）或者其他近期的綜述以獲取更為深入的討論和更多的參考內(nèi)容船逮。

2. 表觀遺傳學(xué)的基礎(chǔ)

Miescher、Flemming粤铭、Kossel 和 Heitz 在 1869 年到 1928 年間開展的開拓性工作定義了核酸挖胃、染色質(zhì)和組蛋白，這也使得常染色質(zhì)和異染色質(zhì)在細(xì)胞學(xué)上產(chǎn)生了區(qū)別（圖1）梆惯。之后酱鸭，Muller（在黑腹果蠅中）和 McClintock（在玉米中）在位置效應(yīng)花斑（position-effect variegation，PEV）和轉(zhuǎn)座元件上的開創(chuàng)性研究垛吗，為非孟德爾遺傳（non-Mendelian inheritance）提供了早期的線索凹髓。進(jìn)一步地，對X染色體失活以及基因組印記現(xiàn)象的描述催生了這樣一個(gè)基本概念的產(chǎn)生怯屉，即在同一細(xì)胞核中蔚舀，相同的遺傳物質(zhì)可以保持不同的“開”或“關(guān)”的狀態(tài)饵沧，但其背后的機(jī)制所知甚少。

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圖 1. 細(xì)胞學(xué)上可見的活性染色質(zhì)（常染色質(zhì)）和抑制性染色質(zhì)（異染色質(zhì)）狀態(tài)赌躺。圖中顯示了兩個(gè)來源于雄鼠體細(xì)胞的處于細(xì)胞間期的細(xì)胞核狼牺，左邊的細(xì)胞核中的 DNA 呈現(xiàn)出廣闊的非致密的染色，而右邊的細(xì)胞核呈現(xiàn)出具有典型的異染色質(zhì)核（黑色的點(diǎn)）寿谴，而且通過 DAPI 染色锁右，AT 富集的重復(fù)序列可見失受。此外讶泰，在核周圍的致密染色的 Barr 體（一個(gè)失活的 X 染色體）被單獨(dú)標(biāo)注出來。

2.1 DNA 甲基化

早在 1948 年拂到，DNA 堿基的化學(xué)修飾就已被檢測到（編者注：這早于1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)）痪署；在 20 世紀(jì) 70 年代中期，Holiday 和 Pugh 就提出了 DNA 甲基化（特別是 5-甲基胞嘧啶）在基因調(diào)控中的作用兄旬。到了 1980 年狼犯，DNA 甲基化和基因抑制的聯(lián)系被建立，同一時(shí)期也發(fā)現(xiàn)了 CpG 島领铐。5-氮雜胞苷（也稱為 2'-脫氧-5-氮雜胞苷悯森，后稱為地西他濱）是第一種“表觀遺傳藥物”，它能夠阻斷 DNA 甲基化绪撵，用于改變成纖維細(xì)胞系的基因表達(dá)和表型瓢姻。此后不久， Feinberg 和 Vogelstein 報(bào)道了癌癥中全基因組 DNA 低甲基化音诈；十年后幻碱，腫瘤抑制基因的局部 DNA 高甲基化也被報(bào)道出來。這些發(fā)現(xiàn)為 DNA 甲基化的“酶學(xué)”理論（enzymology of DNA methylation）提供了令人信服的證據(jù)细溅。小鼠 DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）的成功純化與克隆褥傍，以及 *Dnmt1 *突變小鼠的構(gòu)建和分析向著這一理論邁出了重大一步。同一時(shí)期喇聊，第一個(gè) DNA 甲基結(jié)合蛋白 MeCP2 被鑒定出來恍风。時(shí)至今日，DNA 甲基化和 5-甲基胞嘧啶（被認(rèn)為是“第五個(gè)堿基”）已經(jīng)被確立為許多生物體內(nèi)關(guān)鍵的表觀遺傳學(xué)機(jī)制誓篱。

2.2 核小體

許多研究組的工作共同構(gòu)建了核小體組織模型邻耕。1974 年染色質(zhì)亞單元模型（chromatin subunit model）首次被清楚闡明，1997 年通過組蛋白八聚體-DNA 顆粒的 X 射線晶體結(jié)構(gòu)燕鸽，該模型首次被觀測到兄世。正如當(dāng)時(shí)觀測到的，染色質(zhì)纖維的基本單位為核小體核心顆粒啊研，它是由四個(gè)組蛋白的各兩個(gè)拷貝（組蛋白八聚體）組成的御滩，并包裹了 147bp 的 DNA鸥拧。

2.3 組蛋白修飾

在 20 世紀(jì) 60 年代中期，Allfrey 在組蛋白修飾（尤其是組蛋白乙跸鹘猓化）方面的開創(chuàng)性工作引出了一種假設(shè)：乙醺幌遥化與基因活性密切相關(guān)。隨后科學(xué)家們進(jìn)行了許多研究氛驮，Grunstein 等研究了釀酒酵母中組蛋白尾部的突變腕柜，發(fā)現(xiàn)這些突變擾亂了端粒和交配型基因座（mating-type loci）中基因的沉默。這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作提供了功能方面的早期證據(jù)，其中就包括沉默信息調(diào)節(jié)蛋白（silent information regulator proteins）的首次表征。由 Turner 等人開發(fā)的針對特定修飾或位點(diǎn)的抗體（如組蛋白 H4 第 16 位賴氨酸的乙蹩怯埃化峦椰，H4K16ac）揭示了組蛋白乙酰化的非隨機(jī)模式，例如雌性哺乳動物中失活的 X 染色體和酵母中沉默的交配型基因的低乙酰化，以及黑腹雄性果蠅中上調(diào)兩倍的 X 染色體基因或雞紅細(xì)胞中表達(dá)的 β-珠蛋白基因的高度乙跆读鳎化。

從這些重大發(fā)現(xiàn)可以提出一個(gè)令人信服的論點(diǎn)：除了 DNA 甲基化外柜去，組蛋白修飾還攜帶了能夠區(qū)分常染色質(zhì)和異染色質(zhì)的信息灰嫉。果蠅、酵母和植物中強(qiáng)大的遺傳篩選體系已經(jīng)鑒定了染色質(zhì)依賴性的基因調(diào)控的其他關(guān)鍵因素嗓奢，如 HP1讼撒、Su(var)3-9、Enhancer of zeste (E(z))蔓罚、Polycomb椿肩、Trithorax、Clr4 和 DDM1 等豺谈。 然而郑象，這些染色質(zhì)因子的分子功能以及染色質(zhì)是如何在常染色和異染色狀態(tài)之間“轉(zhuǎn)換”的還并不清楚。

3. 染色質(zhì)狀態(tài)的酶學(xué)定義

3.1 基因活性和常染色質(zhì)

1996 年茬末，Allis 及其同事使用纖毛原生動物模型——嗜熱四膜蟲厂榛，將生物化學(xué)方法與凝膠內(nèi)實(shí)驗(yàn)（in-gel assay）相結(jié)合，從該生物體內(nèi)具有活性的細(xì)胞核中純化和克隆出第一個(gè)編碼與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的組蛋白乙趵霾眩基轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase击奶，HAT）基因。引人注目的是责掏，纖毛蟲中這種 HAT（p55）與此前描述的來自芽殖酵母的轉(zhuǎn)錄共激活因子 Gcn5 是直系同源物柜砾，這一發(fā)現(xiàn)為組蛋白乙酰化和基因活性之間提供了直接的聯(lián)系换衬，而且酵母 Gcn5 酶也顯示出 HAT 活性痰驱。有趣的是证芭， 纖毛蟲的酶包含了在其他乙酰基轉(zhuǎn)移酶（如酵母的 Hat1）中發(fā)現(xiàn)的活性位點(diǎn)殘基以及高度保守的溴結(jié)構(gòu)域（bromodomain）担映，這提示它可能指導(dǎo)染色質(zhì)招募废士，但機(jī)制至今尚不清楚。在隨后的研究中 Allis 團(tuán)隊(duì)提供了通過 Gcn5 靶向組蛋白乙跤辏化導(dǎo)致基因激活的確鑿證據(jù)官硝。一些其他的 HAT，包括 TAF1（也稱為 TAF(II)250）短蜕、PCAF 和 CBP / p300 也被鑒定出來氢架，從而證實(shí)這一調(diào)控范式，并進(jìn)一步將這一范式擴(kuò)展到哺乳動物細(xì)胞中忿危。

在 p55-Gcn5 結(jié)果發(fā)表后大約一個(gè)月达箍，Schreiber 及其同事利用 HDAC 抑制劑 trapoxin没龙，純化和克隆了第一個(gè)組蛋白去乙跗坛化酶（histone deacetylase，HDAC）硬纤。值得注意的是解滓，研究人員發(fā)現(xiàn)哺乳動物中與 trapoxin 結(jié)合的蛋白質(zhì)是芽殖酵母轉(zhuǎn)錄共抑制子 Rpd3 的直系同源物。這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)表明筝家，組蛋白去乙跬菘悖化與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)∠酰總而言之腮鞍，1996 年 HAT 和 HDAC 的工作給出了令人信服的接連沖擊（one–two punch），即組蛋白乙跤猓化和去乙跻乒化直接與基因調(diào)控的“開啟”和“關(guān)閉”狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，這也正如 Allfrey 當(dāng)初預(yù)想的那樣道伟。

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圖 2. 染色質(zhì)狀態(tài)的酶活定義迹缀，包括 p55 催化的組蛋白乙酰化刺激基因激活或 SUV39H1 催化的組蛋白甲基化抑制基因活性蜜徽。1996 年祝懂，嗜熱四膜蟲中組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶p55被鑒定為轉(zhuǎn)錄共激活因子拘鞋，可以催化組蛋白 H3 乙跹馀睿化。H3K14ac 為溴結(jié)構(gòu)域蛋白提供了团枭靠位點(diǎn)灰蛙，進(jìn)一步刺激核小體的可及性以及轉(zhuǎn)錄活性颅和。組蛋白乙酰化可以被 HDAC 去除缕允，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)錄抑制峡扩。2000 年，人類組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 SUV39H1 被鑒定為果蠅中 Su(var) 的同源類似物障本，可甲基化組蛋白 H3 的 N-端尾巴教届。H3K9me3 為染色質(zhì)域（chromodomain）蛋白 HP1 提供了停靠位點(diǎn)驾霜，隨后損害了染色質(zhì)的可及性并誘導(dǎo)基因抑制案训。在當(dāng)時(shí)，這種組蛋白甲基化是否可逆還不清楚粪糙。

HAT 和 HDAC 的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)使得人們猜想强霎，是否還存在其他具有類似活性的蛋白。2000 年蓉冈，Guarente 和同事證明城舞，酵母中基因沉默所需的關(guān)鍵蛋白 Sir2 是一種依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）的 HDAC。隨后寞酿，研究人員在哺乳動物細(xì)胞中鑒定出 7 種類似 Sir2 的酶家夺，現(xiàn)在稱之為 Sirtuin 蛋白家族。與其他 HDAC 相比伐弹，除了具有獨(dú)特的輔助因子和催化需求外拉馋，Sir2 相關(guān)的 HDAC 在新陳代謝和衰老方面的作用也引起了科學(xué)家們濃厚的興趣。

雖然取得了一些顯著的進(jìn)展惨好，但組蛋白乙趸蛙睿化誘導(dǎo)形成活性染色質(zhì)狀態(tài)的機(jī)制仍然未知。長期以來人們認(rèn)為日川，組蛋白乙趼化通過中和組蛋白中的基本電荷，減弱與 DNA 的相互作用（順式效應(yīng)）逗鸣，進(jìn)而調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因活性合住。1999 年，Zhou 和同事發(fā)現(xiàn)撒璧，PCAF 的溴結(jié)構(gòu)域可作為乙跬父穑基-賴氨酸結(jié)合模塊，用于對接乙跚溆＃化組蛋白僚害。這是本文將要描述的第一個(gè)組蛋白修飾結(jié)合結(jié)構(gòu)域，它揭示了含溴結(jié)構(gòu)域的因子與染色質(zhì)中乙酰化靶標(biāo)結(jié)合的新機(jī)制（反式效應(yīng)）（圖 2）萨蚕。截止目前靶草，已經(jīng)鑒定了多種染色質(zhì)結(jié)合模塊以及它們同源的組蛋白配體。

3.2 基因抑制和異染色質(zhì)

Reuter 鑒定果蠅的 PEV（Position-Effect Variegation, 位置效應(yīng)花斑岳遥，在某些細(xì)胞中由于染色體重排或轉(zhuǎn)座使某些基因移到異染色體的附近而不能表達(dá)奕翔，從而形成花斑的現(xiàn)象）修飾因子，其含有一個(gè)進(jìn)化保守的 SET 結(jié)構(gòu)域浩蓉；而 Jenuwein 克隆和表征了其在哺乳動物中的同源類似物派继。第一個(gè)組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（KMT）將這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)聯(lián)系了起來。SET 結(jié)構(gòu)域存在于 Su(var)3-9捻艳、E(z) 和 Trithorax 蛋白中驾窟，這些蛋白都與表觀遺傳調(diào)控有關(guān)，但是缺乏酶活性相關(guān)的證據(jù)认轨。Jenuwein 預(yù)測了 SET 結(jié)構(gòu)域的催化活性绅络，然而，要揭示 SET 結(jié)構(gòu)域與甲基轉(zhuǎn)移酶的遠(yuǎn)距離關(guān)系還需要更精細(xì)的生物信息學(xué)分析嘁字。而研究發(fā)現(xiàn)恩急，SUV39H1（Su(var)3–9 同源類似物 1）介導(dǎo)的組蛋白H3磷酸化與基因調(diào)控有關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)：檢測重組的 SUV39H1 的組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶活性拳锚。該體外實(shí)驗(yàn)揭示了重組 SUV39H1 的 SET 結(jié)構(gòu)域?qū)M蛋白 H3 強(qiáng)烈的催化活性假栓。隨后寻行，Jenuwein 和 Allis 實(shí)驗(yàn)室合作研究表明霍掺，SUV39H1 選擇性地甲基化組蛋白 H3 第 9 位賴氨酸（形成 H3K9me3）；這是表觀遺傳魔法（epigenetic ‘magic’）卓有成效的案例拌蜘，因?yàn)?Su(var)3-9 基因的遺傳分類顯然預(yù)測了酶的底物和位點(diǎn)特異性杆烁。2000 年，Jenuwein 發(fā)表文章简卧，鑒定了第一個(gè)組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶 SUV39H1兔魂。

SUV39H1 發(fā)現(xiàn)后不久，就發(fā)現(xiàn) HP1 的染色質(zhì)域（chromodomain）可以與甲基化的 H3K9 結(jié)合举娩，正如裂殖酵母中 HP1 相關(guān)的蛋白 Swi6 一樣析校。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)為自 1928 年以來一直空缺的異染色質(zhì)的形成和傳播提供了生化解釋铜涉，并鑒定了自 20 世紀(jì) 60 年代以來一直令人費(fèi)解的組蛋白賴氨酸甲基化的酶類智玻。非常重要的是，負(fù)責(zé)基因抑制和異染色質(zhì)組裝的 SUV39H1-HP1-H3K9me 系統(tǒng)比 DNA 甲基化更為保守芙代，它們存在于單細(xì)胞生物（例如裂殖酵母）吊奢、植物和無脊椎動物（例如果蠅）以及復(fù)雜的多細(xì)胞生物（哺乳動物和人類）中。

SUV39H1 的 SET 結(jié)構(gòu)域提供了一個(gè)標(biāo)志性的催化域纹烹，大量含有 SET 結(jié)構(gòu)域的蛋白作為潛在的 KMT 被檢測页滚。在哺乳動物基因組中發(fā)現(xiàn)了大約 50 個(gè)編碼含有 SET 結(jié)構(gòu)域蛋白的基因召边，其中許多蛋白得到了深入研究。組蛋白賴氨酸甲基化既可能發(fā)揮抑制作用裹驰，如 SUV39H1 介導(dǎo)的 H3K9me3隧熙，也可發(fā)揮激活作用，如 H3K4 甲基化幻林。其他研究組在哺乳動物中鑒定了受發(fā)育調(diào)控的沉默或激活的染色質(zhì)狀態(tài)（如 G9a 催化的 H3K9me2贱鼻，EZH2 催化的 H3K27me3，Trithorax 和 MLL 催化的 H3K4me3）滋将，以及失活的 X 染色體的抑制性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)邻悬。此外，還鑒定了不包含 SET 結(jié)構(gòu)域的 KMT随闽，它們可以甲基化組蛋白核心區(qū)域（非尾巴）位點(diǎn)（如 DOT1L 甲基化 H3K79）父丰。除了組蛋白賴氨酸甲基化外，組蛋白精氨酸甲基化也與基因調(diào)控有關(guān)掘宪，如共激活子 CARM1 或 PRMT1 可以通過 H3R17 或 H4R3 甲基化介導(dǎo)依賴于激素的轉(zhuǎn)錄刺激蛾扇。

顯然，組蛋白修飾對于依賴于染色質(zhì)的基因調(diào)控至關(guān)重要魏滚。然而镀首，在當(dāng)時(shí)組蛋白賴氨酸甲基化是否像組蛋白乙酰化一樣是可逆的仍然是一個(gè)關(guān)鍵問題鼠次，這有待更深入的研究更哄。

4. 表觀遺傳研究的現(xiàn)代時(shí)期

可以認(rèn)為，上述研究腥寇，再加上全基因組染色質(zhì)圖譜等新技術(shù)的發(fā)展成翩，開辟了我們所說的“表觀遺傳學(xué)現(xiàn)代研究”，自 2000 年以來該領(lǐng)域的大量出版物也證明了這一點(diǎn)赦役。新的會議和倡議推動了世界范圍內(nèi)對表觀遺傳控制的本質(zhì)機(jī)制深入研究的浪潮麻敌。典型的例子包括由冷泉港實(shí)驗(yàn)室、美國癌癥研究協(xié)會（AACR）掂摔、戈登研究會議（GRC）組織术羔、美國實(shí)驗(yàn)生物學(xué)協(xié)會聯(lián)合會（FASEB）和 Keystone 專題研討會等機(jī)構(gòu)組織的專門致力于表觀遺傳學(xué)的會議。此外乙漓，還成立了幾個(gè)大型聯(lián)盟级历，如歐洲的卓越的“表觀基因組”和“表觀基因系統(tǒng)”網(wǎng)絡(luò)（The Networks of Excellence ‘The Epigenome’ and ‘EpiGeneSys’）、美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）的表觀基因組計(jì)劃路線圖（Roadmap Epigenomics Project）和 ENCODE 計(jì)劃簇秒，以及國際人類表觀基因組聯(lián)盟（IHEC）鱼喉，這些聯(lián)盟將歐洲、美國、加拿大扛禽、亞洲等地的科學(xué)家緊密聯(lián)系起來锋边。

下面本文將描述 2000 年至 2016 年間的重大突破性發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)在圖 3 中是按時(shí)間順序排列的编曼，我們并不總是按照嚴(yán)格的順序來展示它們豆巨，而是將它們歸類為連貫的機(jī)制和概念上的進(jìn)展。

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圖 3. 1996~2006 年間表觀遺傳研究領(lǐng)域重要發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展的時(shí)間線

4.1 組蛋白密碼假說及相關(guān)理論

越來越多的組蛋白共價(jià)修飾表明核小體攜帶表觀遺傳信息掐场，然而這種信息是否由順式或反式的機(jī)制介導(dǎo)尚不清楚往扔。1999 年 Zhou 和他的同事發(fā)現(xiàn)了結(jié)合乙酰化賴氨酸的溴結(jié)構(gòu)域熊户，為一年后提出的一個(gè)有影響力的假說——“組蛋白密碼假說（histone code hypothesis）”提供了第一條實(shí)驗(yàn)證據(jù)萍膛。“組蛋白密碼假說”認(rèn)為嚷堡，組蛋白修飾的組合模式導(dǎo)致了不同的生物學(xué)結(jié)果蝗罗，部分通過反式招募下游效應(yīng)蛋白（稱為“閱讀者”，以匹配組蛋白修飾酶的“書寫者”）或復(fù)合物蝌戒〈埽“組蛋白密碼假說”預(yù)測，此后還會鑒定其他組蛋白修飾的閱讀者北苟。事實(shí)上桩匪，很多種類型的組蛋白結(jié)合模塊已經(jīng)被鑒定（例如染色質(zhì)域、tudor 域和 PHD 指結(jié)構(gòu)域）友鼻，其結(jié)構(gòu)深入闡明了它們與相應(yīng)配體結(jié)合的特異性傻昙，這又進(jìn)一步拓展了“組蛋白密碼假說”，包括將其翻譯成更廣泛的“表觀遺傳密碼（epigenetic code）”桃移。這些假說的其他后續(xù)拓展包括組蛋白盒（histone cassettes）屋匕，二元開關(guān)（binary switches）和效應(yīng)子-配體結(jié)合反應(yīng)的多價(jià)性（multivalency）。盡管科學(xué)界質(zhì)疑組蛋白修飾的共價(jià)“語言”是否滿足成為真正“密碼”的標(biāo)準(zhǔn)借杰，但毫無爭議的是，除了順式機(jī)制（電荷效應(yīng)）进泼，效應(yīng)蛋白結(jié)合的反式機(jī)制在組蛋白和 DNA 修飾讀取中發(fā)揮重要作用蔗衡。

4.2 組蛋白修飾和 DNA 甲基化

組蛋白修飾的組合特性也不禁讓人們好奇：組蛋白修飾與 DNA 甲基化是否在功能上存在聯(lián)系。MeCP2 與 HDAC乳绕、轉(zhuǎn)錄共抑制因子 SIN3A 相互作用绞惦，引發(fā)轉(zhuǎn)錄抑制。Selker 及其同事利用真菌模型粗糙鏈孢霉提供了令人信服的證據(jù)：組蛋白 H3K9 甲基化（由 DIM5 催化）是 DNA 甲基化所需要的洋措。隨后在植物中的研究進(jìn)一步支持了這些發(fā)現(xiàn)济蝉，其中 H3K9 甲基轉(zhuǎn)移酶 KRYPTONITE 控制 DNA 甲基化。此時(shí)，H3K9 甲基化作為 DNMT 染色質(zhì)甲基化酶（chromomethylase）的屯趼耍靠位點(diǎn)贺嫂，進(jìn)而抑制沉默重復(fù)元件。多結(jié)構(gòu)域蛋白雁乡，如 UHRF1（也稱為 Np95）可以連接 H3K9 甲基化和半甲基化 DNA第喳，以穩(wěn)定 DNMT1。催化失活的 DNMT3 樣銜接子（DNMT3-like adaptor）通過其 ADD 結(jié)構(gòu)域選擇性地結(jié)合未修飾的 H3K4踱稍，一旦 H3K4 被甲基化為 H3K4me3曲饱，這種選擇性結(jié)合就被阻斷。

對于發(fā)育控制的基因表達(dá)和多梳蛋白復(fù)合物介導(dǎo)的沉默而言珠月，組蛋白修飾和 DNA 甲基化之間的相互依賴揭示了它們之間復(fù)雜的關(guān)系扩淀。然而，不同的 DNA 序列是否可以指導(dǎo) DNA 甲基化的存在與否仍然不清楚啤挎。2010 年突破性地發(fā)現(xiàn)引矩， CpG 島對轉(zhuǎn)錄因子具有親和力，例如 CXXC 型鋅指蛋白1（CFP1）侵浸，它可以募集活化的 KMT 并阻止 DNA 甲基化旺韭。因此，富含 CpG 的 DNA 可以靶向活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)并保護(hù)其免于從頭 DNA 甲基化掏觉，即使在轉(zhuǎn)錄暫颓耍或中止情況下也是如此。低澳腹、中织盼、高水平 CpG 的 DNA 甲基化的差異也可以解釋不同的轉(zhuǎn)錄因子是否可以進(jìn)入其同源結(jié)合位點(diǎn)。

4.3 非編碼 RNA 和基因轉(zhuǎn)錄沉默

盡管在組蛋白和 DNA 修飾方面取得了顯著進(jìn)展酱塔，但對于這些標(biāo)記是如何被添加到特定的基因組位置還知之甚少沥邻。研究發(fā)現(xiàn)小 RNA 可作為潛在“模板”分子，這為該問題提供了部分解答羊娃。在 2002 年唐全，四個(gè)研究組使用裂殖酵母（Grewal 和 Martienssen）和四膜蟲（Allis 和 Gorovsky）模型，報(bào)道了小 RNA 與基因組特定位點(diǎn)相互作用蕊玷，并可能指導(dǎo)基因組特定位點(diǎn)的染色質(zhì)修飾活性邮利。在細(xì)胞質(zhì)中，小RNA阻斷信息翻譯從而抑制基因表達(dá)垃帅，這一過程稱為 RNA 介導(dǎo)的干擾（RNAi）或轉(zhuǎn)錄后基因沉默（PTGS）延届；而在細(xì)胞核中，這些小核 RNA 介導(dǎo)了 “基因轉(zhuǎn)錄沉默（transcriptional gene silencing贸诚，TGS）”過程方庭，不僅指導(dǎo)了裂殖酵母中的異染色質(zhì)組裝和基因沉默厕吉，還指導(dǎo)了嗜熱菌的程序化 DNA 消除。在這兩個(gè)模型中械念，小 RNA 與組蛋白賴氨酸甲基化復(fù)合物的已知組分相互作用头朱，這使得人們懷疑這些系統(tǒng)進(jìn)化是為了保護(hù)基因組免受有害 DNA 元件或病毒的侵害；因?yàn)槿绻麤]有適當(dāng)?shù)某聊瑱C(jī)制订讼，這些有害的 DNA 元件或病毒可能會破壞基因組髓窜。在該模型的擴(kuò)展中，非編碼 RNA（ncRNA）的轉(zhuǎn)錄通常被認(rèn)為是一種全基因組的監(jiān)控機(jī)制欺殿，在 RNA 質(zhì)量控制中發(fā)揮著重要作用寄纵。

盡管這些途徑中不同分子步驟的順序仍不清楚，但這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了 DNA脖苏、RNA 和組蛋白及其修飾以協(xié)同方式發(fā)揮作用程拭，以產(chǎn)生對發(fā)揮基因功能很重要的染色質(zhì)狀態(tài)。TGS 途徑代表了 RNA 介導(dǎo)的異染色質(zhì)化機(jī)制中的一種序列互補(bǔ)機(jī)制棍潘，其中 RNA 信號回到 DNA 并建立抑制性的染色質(zhì)狀態(tài)恃鞋，而且可以在許多細(xì)胞分裂中傳遞下去。

4.4 核小體重塑和組蛋白變體

ATP 依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)合物為改變組蛋白-DNA 接觸亦歉、促進(jìn) DNA 可及性以及新舊組蛋白的交換或轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)出染色質(zhì)提供了另一種重要機(jī)制恤浪。在 1992-1998 年期間，遺傳和生化研究鑒定了 SWI/SNF肴楷、NURF 和其他 ATP 依賴的核小體重塑復(fù)合物水由，并對它們的作用機(jī)制提供了早期的闡述，而這正是目前非橙瑁活躍的表觀遺傳學(xué)研究領(lǐng)域砂客。癌癥中人 BAF 重塑復(fù)合物組分的高頻突變進(jìn)一步刺激人們的研究熱情。

組蛋白變體呵恢，與其主要的經(jīng)典組蛋白僅有少量氨基酸的差異鞠值，起初人們認(rèn)為它們與經(jīng)典組蛋白在氨基酸序列上過于相似，差異太過微小渗钉，因而并不重要彤恶。當(dāng)研究聚焦于黑腹果蠅組織培養(yǎng)細(xì)胞中的 H3 變體（H3.3）時(shí)，發(fā)現(xiàn) H3.3 可獨(dú)立于 DNA 復(fù)制而放置入染色質(zhì)中晌姚，并優(yōu)先靶向轉(zhuǎn)錄活躍的染色質(zhì)粤剧。此后不久，生化方法記錄了一個(gè) H3.3 選擇性伴侶（HIRA）挥唠，它不同于在 S 期執(zhí)行的 H3（H3.1 和 H3.2）置入系統(tǒng)（染色質(zhì)組裝因子 1，CAF1）焕议。組蛋白變體進(jìn)出染色質(zhì)的快速交換宝磨，這一過程由專門的分子機(jī)器介導(dǎo)弧关，這種分子機(jī)器可以識別特定的組蛋白變體，這種現(xiàn)象支持了這樣的理論：組蛋白變體是染色質(zhì)纖維變異的主要機(jī)制唤锉。甚至著絲粒染色質(zhì)也有其特異的 H3 變體（在哺乳動物中被稱為著絲粒蛋白 A世囊，即 CENP-A），越來越多的證據(jù)表明窿祥，CENP-A 標(biāo)記了具有自身表觀遺傳身份的著絲粒株憾。其他非 H3 組蛋白變體也引起了相當(dāng)大的關(guān)注，例如晒衩， H2A.X嗤瞎，當(dāng)其磷酸化時(shí)，顯著標(biāo)記染色質(zhì)中 DNA 雙鏈的斷裂; H2A.Z听系，一種富集在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的變體贝奇，該位點(diǎn)與 5mC 呈反相關(guān)；macroH2A靠胜，一種富集在無活性X染色體上長的 H2A 亞型掉瞳。顯然，染色質(zhì)介導(dǎo)的表觀遺傳調(diào)控的難題有很多浪漠，但組蛋白變體表明陕习，即使是一些最小的一個(gè)也至關(guān)重要。

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圖 4. 染色質(zhì)促進(jìn)表觀基因組功能的關(guān)鍵案例

4.5 所有染色質(zhì)標(biāo)記都是可逆的

組蛋白的“擦除者”因組蛋白乙踔吩福化（去乙醺昧停化酶）和磷酸化（磷酸酶）而為人所知，這是兩種主要的組蛋白修飾必盖，它們具有良好的周轉(zhuǎn)特性拌牲，可動態(tài)響應(yīng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄需求。相比之下歌粥，組蛋白甲基化的擦除者并不為人所知塌忽，這使得它很可能成為“永久性的”組蛋白標(biāo)記——也就是說，可能不具有酶促可逆性失驶。這是一個(gè)有吸引力的概念:如果組蛋白甲基化標(biāo)記是穩(wěn)定的表觀遺傳標(biāo)記土居，它們可能具有遺傳潛力。2004 年嬉探，Shi 和同事打破了這個(gè)概念擦耀，他們發(fā)現(xiàn)并鑒定了第一個(gè)組蛋白賴氨酸去甲基化酶（KDM）——LSD1（賴氨酸特異性去甲基化酶 1），一個(gè)核 FAD 依賴的胺氧化酶同源物涩堤。但是眷蜓，LSD1 不能使組蛋白賴氨酸三甲基去甲基化，表明賴氨酸三甲基化可能是一個(gè)永久性的表觀遺傳標(biāo)記胎围。然而吁系，不久之后德召，Zhang 和同事通過在該領(lǐng)域引入第二類賴氨酸去甲基化酶—— Fe（II）和 α-酮戊二酸依賴的含有 Jumonji 結(jié)構(gòu)域的雙加氧酶，進(jìn)而反駁了這一觀點(diǎn)汽纤。這類酶能夠去除組蛋白中的三甲基-賴氨酸標(biāo)記上岗，從而支持所有表觀遺傳標(biāo)記都可能是可逆的這一普遍觀點(diǎn)。與其他擦除者一樣蕴坪，KDM 表現(xiàn)出了顯著的底物和位點(diǎn)特異性肴掷，KDM 研究迅速發(fā)展成為具有重要催化和調(diào)節(jié)功能的表觀遺傳調(diào)控物質(zhì)。

從歷史角度看背传，對于 DNA 甲基化的可逆性這一基本問題呆瞻，特別是對于 5mC 的丟失，也存在相當(dāng)大的困惑续室。長期以來發(fā)育生物學(xué)家描述了在生殖細(xì)胞成熟和早期胚胎發(fā)生過程中出現(xiàn)的兩波全基因組 DNA 去甲基化浪潮栋烤；然而，DNA 甲基化去除過程長期以來一直難以捉摸挺狰，因此研究認(rèn)為明郭，DNA 甲基化去除是被動過程（通過 DNA 復(fù)制稀釋），而非主動過程（酶促驅(qū)動）丰泊。5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）的鑒定為解答這個(gè)難題提供了關(guān)鍵一環(huán)薯定。重要的是，Rao 和 Zhang 的研究鑒定了一個(gè)新的 TET1-3 酶家族瞳购，它們能夠?qū)?5mC 氧化為 5hmC话侄，還可以進(jìn)一步氧化為 5-甲酰基胞嘧啶（5fC）和 5-羧基胞嘧啶（5caC）学赛。隨后可以通過 DNA 糖基化酶對這些修飾堿基進(jìn)行酶促切除年堆，從而產(chǎn)生完全去甲基化的 DNA 模板。與組蛋白甲基化一樣盏浇，DNA 甲基化也具有豐富的書寫者变丧、閱讀者和擦除者。顯然绢掰，DNA 共價(jià)修飾“語言”的復(fù)雜性與組蛋白的復(fù)雜性一樣在增加痒蓬。

4.6 二價(jià)染色質(zhì)（bivalent chromatin）和表觀基因組特征

到 2005 年，組蛋白乙醯尉ⅲ化攻晒、磷酸化和甲基化等標(biāo)記作為一組受到廣泛研究的組蛋白修飾脫穎而出。質(zhì)譜等敏感方法持續(xù)揭示出數(shù)量驚人的組蛋白修飾班挖，盡管其中許多修飾的數(shù)量并沒有主要標(biāo)記那么豐富鲁捏。相應(yīng)地，修飾選擇性抗體也被開發(fā)出來萧芙，并經(jīng)常被用于 ChIP 分析碴萧，用來檢測你最感興趣的基因乙嘀。幾個(gè)有遠(yuǎn)見的實(shí)驗(yàn)室采用了一種不同的末购、強(qiáng)大的方法破喻，開發(fā)了全基因組 ChIP 的衍生方法，在正常和異常狀態(tài)下更廣泛地剖析表觀遺傳景觀盟榴。該方法的早期版本將H3K4me2（作為染色質(zhì)“開”的標(biāo)記）與 H3K9me2（作為染色質(zhì)“關(guān)”的標(biāo)記）進(jìn)行了比較曹质，結(jié)果既豐富又引人注目，發(fā)現(xiàn)這些標(biāo)記間具有顯著的負(fù)相關(guān)性擎场。借助 ChIP-seq 將這些研究可以很好地?cái)U(kuò)展到胚胎干細(xì)胞（ES）中羽德，部分原因是由于 ES 細(xì)胞具有被誘導(dǎo)進(jìn)入特定分化途徑的能力。不久迅办，組蛋白標(biāo)記的一致模式出現(xiàn)了宅静。例如，H3K4me3 與活性啟動子元件相關(guān)站欺，而 H3K27me3 則富集于發(fā)育控制的抑制性染色質(zhì)狀態(tài)中姨夹。這些有指導(dǎo)意義的表觀基因組“特征”開始出現(xiàn)，引起了人們對今天仍在使用的全基因組方法的興趣矾策。

然而磷账，在 2006 年，對組蛋白標(biāo)記來說贾虽，這種具有吸引力的開關(guān)邏輯被證明過于簡單逃糟。Lander 和 Fisher 里程碑式的研究意外地發(fā)現(xiàn)，胚胎干細(xì)胞中存在同時(shí)具有激活和抑制標(biāo)記的蓬豁，處于發(fā)育“蓄勢待發(fā)的（poised）”基因绰咽。H3K4me3 和 H3K27me3 重疊的模式被稱為“二價(jià)染色質(zhì)（bivalent chromatin）”〉胤啵“蓄勢待發(fā)的（poised）”基因的二價(jià)特征的發(fā)現(xiàn)是出乎意料且非常重要的取募。它提供了第一個(gè)關(guān)于“中間”狀態(tài)的線索，其中二價(jià)標(biāo)記的基因可以在發(fā)育過程中分解為活性或非活性狀態(tài)驶忌。二價(jià)染色質(zhì)不是胚胎干細(xì)胞特異性的矛辕，在其他細(xì)胞類型中也有詳細(xì)的記錄。

如何在核小體水平上建立和組織二價(jià)染色質(zhì)仍然是一個(gè)重要的問題付魔。相反的 H3K4me3 和 H3K27me3 是標(biāo)記在同一個(gè)H3尾部還是不同 H3 尾部聊品，是同一個(gè)核小體內(nèi)或相鄰核小體上的？由 Reinberg 牽頭的研究表明几苍，H3K4me3 和 H3K27me3 標(biāo)記并不是存在于同一個(gè)H3尾部翻屈，這導(dǎo)致了核小體內(nèi)的不對稱分布。這種排列對二價(jià)結(jié)構(gòu)域的建立和傳播有影響妻坝。

不出所料伸眶，這種復(fù)雜性在一定程度上有助于微調(diào)染色質(zhì)中其他基因順式調(diào)控元件的標(biāo)記惊窖。細(xì)胞類型特異性的“活性”增強(qiáng)子通常由一組表觀遺傳標(biāo)記來定義，如 H3K4me1 和 H3K27ac厘贼。因此界酒，當(dāng)在基因組水平上分析組蛋白修飾時(shí)，發(fā)現(xiàn)了可復(fù)制的模式嘴秸，從而可以預(yù)測哪些遺傳元件是有功能的（稱為表觀基因組分析）毁欣。將染色質(zhì)改變（核心組蛋白修飾和 DNA 甲基化的集合）與核小體位置和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)共定位，并與基因組的總 RNA 輸出整合岳掐。具有指導(dǎo)意義的組蛋白修飾模式——如增強(qiáng)子區(qū)的 H3K4me1和 H3K27ac凭疮，啟動子區(qū)的 H3K4me3，轉(zhuǎn)錄區(qū)的 H3K36me3串述，Polycomb 介導(dǎo)的抑制區(qū)域中的 H3K27me3 和異染色質(zhì)區(qū)的 H3K9me3执解，已被 NIH 路線圖表觀基因組學(xué)聯(lián)盟（Roadmap Epigenomics Consortium）和 IHEC 用于簡要描述參考表觀基因組并比較正常和疾病細(xì)胞狀態(tài)的表觀基因組特征。現(xiàn)在纲酗，技術(shù)的新進(jìn)步使得對單細(xì)胞表觀基因組的分析更加精確衰腌，其對細(xì)胞譜系維持的貢獻(xiàn)也有了新的認(rèn)識。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組進(jìn)一步拓展耕姊，已經(jīng)揭示了幾乎整個(gè)基因組都被轉(zhuǎn)錄桶唐，從而產(chǎn)生一系列具有不同調(diào)節(jié)功能的 ncRNAs，這些 ncRNAs 可能在表觀遺傳景觀方面發(fā)揮重要作用茉兰，目前仍在積極研究中尤泽。

5. 發(fā)育與疾病

從上述許多突破性的發(fā)現(xiàn)和概念上的進(jìn)展來看，涌現(xiàn)出了表觀遺傳控制的分子標(biāo)志（molecular hallmarks of epigenetic control）规脸，其對于細(xì)胞身份和細(xì)胞重編程非常重要坯约。最重要的是，這些標(biāo)志響應(yīng)發(fā)育和環(huán)境變化莫鸭，并且可能會被染色質(zhì)修飾酶的化學(xué)抑制和修飾閱讀蛋白所逆轉(zhuǎn)闹丐。表觀遺傳響應(yīng)（epigenetic response）的許多方面——例如，不同飲食的代謝波動被因、晝夜節(jié)律卿拴、衰老以及從同一基因組模板表現(xiàn)出表型多樣性（例如基因組印記和雙胞胎研究）最近已得到綜述，這些超出了本文的范圍梨与。在這里堕花，我們關(guān)注表觀遺傳控制的分子標(biāo)志在發(fā)育（例如重編程）以及正在治療或已被證明對表觀遺傳治療有響應(yīng)的人類疾病的一些關(guān)鍵例子（例如癌癥、炎癥和免疫反應(yīng)）中的作用粥鞋。

5.1 重編程的表觀遺傳障礙

表觀遺傳控制對細(xì)胞類型特性和細(xì)胞重編程至關(guān)重要缘挽。Weintraub 及其同事的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)表明，順式作用轉(zhuǎn)錄因子 MyoD——一種對肌肉分化至關(guān)重要的因子，可以重編程成纖維細(xì)胞壕曼。20 年后苏研，當(dāng) Yamanaka 和他的同事們使“時(shí)光倒流”時(shí)昂利，這種邏輯重新浮出水面流部，為 Gurdon、Briggs 和其他人經(jīng)典的細(xì)胞核重編程實(shí)驗(yàn)提供了開創(chuàng)性的機(jī)制見解瞧栗。他們開創(chuàng)性的研究表明伴榔，在分化成體成纖維細(xì)胞中表達(dá)的一小部分特定轉(zhuǎn)錄因子（現(xiàn)在稱為“Yamanaka 因子”纹蝴，包括 Sox2、Oct3/4踪少、Klf4 和 c-Myc）將誘導(dǎo)產(chǎn)生多能性，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞）糠涛。

從成體組織中重新編程體細(xì)胞的潛力對再生醫(yī)學(xué)具有令人興奮的意義援奢，盡管誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的過程效率低下，且尚未準(zhǔn)備好用于人類忍捡。染色質(zhì)狀態(tài)在多大程度上阻礙體細(xì)胞重編程的能力呢集漾？通過阻斷 H3K9me3 的 KMT 或用維生素 C 刺激 Jumonji 組蛋白賴氨酸去甲基化酶和 TET 酶，可提高重編程效率砸脊，這表明異染色質(zhì)可能是一個(gè)障礙具篇，至少在一定程度上，導(dǎo)致了這些重編程事件的低效率凌埂。為了支持這一觀點(diǎn)驱显，已經(jīng)鑒別了“先驅(qū)”轉(zhuǎn)錄因子（pioneer transcription factors），它們能夠結(jié)合到抑制性染色質(zhì)區(qū)域瞳抓，招募輔助因子和染色質(zhì)調(diào)控因子埃疫，這些輔助因子和染色質(zhì)調(diào)控因子能夠誘導(dǎo)下游基因調(diào)控級聯(lián)反應(yīng)，而這種級聯(lián)反應(yīng)可以克服抑制性染色質(zhì)狀態(tài)孩哑。一般認(rèn)為譜系可塑性（細(xì)胞身份的變化）具有表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)栓霜，可能在重編程中發(fā)揮重要作用，研究觀察到了染色質(zhì)修飾酶表達(dá)水平變化和改變表觀遺傳機(jī)器的輔助因子的波動横蜒，這些為上述觀點(diǎn)提供了支持胳蛮，并會導(dǎo)致細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)變。

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圖 5. 表觀遺傳控制的分子標(biāo)簽以及它們醫(yī)學(xué)相關(guān)性的案例丛晌，還有可能的治療策略

5.2 癌癥和表觀遺傳治療

上面提到的大多數(shù)突破性發(fā)現(xiàn)的動機(jī)仅炊，并不需要與疾病產(chǎn)生明確的聯(lián)系。癌癥研究通常聚焦于腫瘤發(fā)生過程中的基因變異（如突變茵乱、基因重排和拷貝數(shù)變異）茂洒，使得大多數(shù)癌癥顯示出明確的“標(biāo)簽”。早期，人們發(fā)現(xiàn)異常的表觀遺傳特征（例如 DNA甲基化）在癌癥中具有潛在的臨床重要性督勺，為推進(jìn)表觀遺傳治療提供了強(qiáng)大動力渠羞。Jones 和 Baylin 應(yīng)用 DNA 甲基化的化學(xué)抑制劑（DNMTi）重新激活異常沉默的腫瘤抑制基因，同時(shí)還使用 HDACi智哀，例如由 Yoshida 開發(fā)的 TSA（曲古抑菌素 A）和 trapoxin次询，隨后使用由 Marks 臨床應(yīng)用的 SAHA（辛二酰苯胺異羥肟酸，也稱為伏立諾他）瓷叫，為表觀遺傳學(xué)這一激動人心的領(lǐng)域鋪平了道路屯吊。

2006 年，隨著美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的第一批表觀遺傳藥物（地西他濱和伏立諾他）用于人類癌癥的治療摹菠，這些概念變成了現(xiàn)實(shí)盒卸。逆轉(zhuǎn)癌癥患者的表觀遺傳錯(cuò)誤為表觀遺傳學(xué)的重要性提供了最有說服力的論據(jù)之一。一種以表觀遺傳學(xué)為中心次氨、以試劑為基礎(chǔ)的生物技術(shù)公司產(chǎn)業(yè)正在興起蔽介。甚至大型制藥公司也開始采取行動，他們普遍認(rèn)為煮寡，與基因改變不同虹蓄，表觀遺傳特征中的錯(cuò)誤將是可逆的。用 DNMTi 和 HDACi 治療可以獲得有希望的臨床結(jié)果幸撕，我們從中獲得啟發(fā)薇组，即其他類型的“書寫者”和“擦除者”也可能成為有價(jià)值的藥物靶點(diǎn)。此外坐儿，耐藥癌細(xì)胞可以對 HDACi 和去除 KDM 的聯(lián)合療法產(chǎn)生響應(yīng)律胀，這種聯(lián)合療法切斷了癌細(xì)胞的存活通路，并誘導(dǎo)更高水平的 DNA 損傷挑童。一般認(rèn)為累铅，癌癥細(xì)胞可能有更脆弱的染色質(zhì)和更高的“表觀遺傳噪聲（epigenetic noise）”，這種概念可以解釋為什么它們更容易響應(yīng)選擇性的殺傷治療（通過表觀遺傳抑制劑與放療結(jié)合）站叼。

盡管迅速涌現(xiàn)的文獻(xiàn)提供了表觀遺傳學(xué)和其他非癌癥疾病之間的大量聯(lián)系娃兽，但是癌癥仍然是可能響應(yīng)表觀遺傳學(xué)治療的最有說服力的疾病。2012 年尽楔，某些類型的癌癥甚至與組蛋白中的“驅(qū)動”突變有關(guān)投储，這類突變被稱為“原癌組蛋白（oncohistones）”。

組蛋白修飾酶阔馋，無論是閱讀者還是擦除者玛荞，都被證明是腫瘤學(xué)中具有潛力的藥物靶點(diǎn)。Bradner呕寝、Tarakhovskly 和 Kouzarides 團(tuán)隊(duì)的研究為表觀遺傳靶點(diǎn)和療法添加了新的閱讀者勋眯。他們選定了一些含溴結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，例如BET家族的成員，而且證明這些蛋白可作為小分子（例如抑制劑 JQ1 或 iBET）的成藥靶蛋白客蹋，這些小分子與乙酰賴氨酸結(jié)合口袋結(jié)合塞蹭，以破壞關(guān)鍵蛋白質(zhì)-組蛋白的相互作用。與 HAT 和 HDAC 的其他小分子抑制劑一樣讶坯，下游反應(yīng)是非隨機(jī)的番电。例如，被這些小分子靶向的溴結(jié)構(gòu)域蛋白之一BRD4研究得更為透徹辆琅，BRD4 反過來又參與轉(zhuǎn)錄延伸通路漱办，這種通路對血癌中促進(jìn)腫瘤的關(guān)鍵致癌基因（如 MYC）和促炎基因（如 NFKB）的表達(dá)非常關(guān)鍵。而現(xiàn)在婉烟，隨著溴結(jié)構(gòu)域抑制劑的成功娩井，其他染色質(zhì)閱讀者也受到了極大的關(guān)注。

5.3 免疫防御

在細(xì)胞譜系特化隅很、對外界信號的響應(yīng)和細(xì)胞記憶的誘導(dǎo)中撞牢，染色質(zhì)介導(dǎo)的基因調(diào)控富集于免疫系統(tǒng)。造血細(xì)胞系的細(xì)胞通過改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)整合信號叔营，而且可以引起對激活狀態(tài)的“記憶”，正如巨噬細(xì)胞中那樣所宰。炎癥信號（例如脂多糖）引起促炎基因（例如 NFKB绒尊，其通常已經(jīng)被 RNA 聚合酶II（Pol II）占據(jù)）的轉(zhuǎn)錄激活，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)仔粥。停滯不前的 RNA Pol II 的延伸被阻止婴谱，并需要 PCAF-HAT 延伸復(fù)合物，這是許多基因的特征躯泰。*NFKB *對 iBET 的選擇性響應(yīng)是通過干擾 PCAF 與促炎基因的結(jié)合來抑制炎癥谭羔。

表觀遺傳控制對免疫細(xì)胞的激活也很重要，并可通過藥理學(xué)治療增強(qiáng)免疫反應(yīng)麦向。出乎意料的是瘟裸，研究發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶 EZH2 通過甲基化細(xì)胞質(zhì)的肌動蛋白而轉(zhuǎn)導(dǎo) T 細(xì)胞活化，這為許多組蛋白修飾酶具有非組蛋白底物提供了典型的案例诵竭。此外话告，HDACi 可通過阻止活化誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡（activation-induced cell death）來維持 T 細(xì)胞的活化。KMT G9a 的藥理學(xué)抑制和釋放的基因抑制導(dǎo)致干擾素基因的激活卵慰，并導(dǎo)致對病原體的抗性增加沙郭。DNMTi 不僅影響腫瘤抑制基因，還影響那些對DNA甲基化降低做出響應(yīng)的重復(fù)元件裳朋。用低劑量的 DNMTi 對幾種癌癥進(jìn)行治療病线，激活了內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒，引起 dsRNA 介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，隨后這種免疫反應(yīng)靶向腫瘤細(xì)胞送挑。打破免疫耐受和增強(qiáng)免疫反應(yīng)是對抗癌細(xì)胞的兩種主要機(jī)制绑莺。因?yàn)閹缀跛械慕M蛋白修飾酶也靶向許多非組蛋白蛋白（這是 Roeder 及其同事首次描述腫瘤抑制因子 p53 乙酰化時(shí)提出的概念）让虐，因此臨床研究需要仔細(xì)使用和分析小分子抑制劑紊撕。具體而言，需要慎重考慮表觀遺傳治療在攻擊腫瘤細(xì)胞和不削弱防御性的免疫細(xì)胞之間的平衡赡突。

涉及非組蛋白蛋白（non-histone proteins）的翻譯后修飾的表觀遺傳控制進(jìn)一步擴(kuò)展了功能性染色質(zhì)輸出的調(diào)節(jié)对扶。例如，組蛋白中的不同修飾盒（modification cassettes）惭缰，特別是 ARKS/T 型的修飾盒也存在于幾種非組蛋白的蛋白質(zhì)中浪南，并允許翻譯后修飾和識別者蛋白的識別。據(jù)報(bào)道漱受，G9a 中的一個(gè)短的組蛋白模擬物（histone mimic）需要通過自甲基化（automethylation）來觸發(fā)其活性络凿，從而產(chǎn)生組蛋白“擬態(tài)（mimicry）”的概念。流感病毒的非結(jié)構(gòu)蛋白 1（NS1）含有一個(gè)氨基酸序列昂羡，該氨基酸序列與組蛋白 H3 的 N-端密切相關(guān)絮记，可感應(yīng) H3K4 甲基化。NS1 中的 H3K4 樣甲基化會轉(zhuǎn)運(yùn) PCAF 并減弱抗病毒基因的轉(zhuǎn)錄虐先。因此怨愤，“組蛋白擬態(tài)”被病原體衍生的蛋白用于抑制細(xì)胞防御。這些激動人心的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被正式提出蛹批，某些組蛋白肽模擬物具有發(fā)展成新型的表觀遺傳藥物的潛力撰洗。

5.4 染色質(zhì)遺傳（記憶）

在表觀遺傳研究的激烈爭論中，一個(gè)核心問題是組蛋白及其修飾是否是表觀遺傳學(xué)信息的真正載體腐芍。與 DNA 甲基化或其他修飾不同差导，組蛋白遺傳的機(jī)制仍未得到解決，部分原因是長期以來關(guān)于組蛋白（舊與新）是如何在復(fù)制叉上分離的爭論猪勇。早期 Grewal 和 Klar 在裂殖酵母设褐、Paro 及其同事在黑腹果蠅中的研究暗示染色質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換可能是可遺傳的。最近埠对，Moazed 和 Allshire 團(tuán)隊(duì)的研究表明络断，在缺乏順式作用的轉(zhuǎn)錄因子或結(jié)合 H3K9 的 DNA 序列的情況下，H3K9 甲基化可以被瞬時(shí)誘導(dǎo)并在多代中遺傳项玛。重要的是貌笨，這種染色質(zhì)遺傳需要缺失阻礙 H3K9 甲基化的拮抗因子。Strome 及其同事的類似發(fā)現(xiàn)揭示了在秀麗隱桿線蟲中 PRC2 介導(dǎo) H3K27me3 的染色質(zhì)遺傳襟沮。綜上所述锥惋，這些研究表明昌腰，至少在這些模型中，組蛋白可以傳遞它們的信息膀跌，盡管確切的分子機(jī)制正在積極研究中遭商。為此，Reinberg捅伤、Gamblin 及其同事表明劫流，抑制性組蛋白標(biāo)記 H3K27me3 的傳播是通過其非催化亞基 EED 對 PRC2 復(fù)合物的正向變構(gòu)調(diào)節(jié)引起的。這些關(guān)于 PRC2 的研究和新的結(jié)構(gòu)工作非常重要丛忆，因?yàn)樗鼈優(yōu)槿旧|(zhì)前饋環(huán)路（feed-forward loops）提供了生化證據(jù)祠汇，而前饋環(huán)路很可能有助于組蛋白修飾的遺傳。

這樣的結(jié)果是否可以推廣到表觀遺傳因子的多代遺傳熄诡，即跨代遺傳（transgenerational inheritance）這一普遍現(xiàn)象可很？事實(shí)上，果蠅和小鼠中的研究表明凰浮，飲食和其他環(huán)境因素的變化我抠，特別是父親的飲食，可以傳遞給子代袜茧，并重新編程子代的代謝菜拓，從而導(dǎo)致世代的肥胖。和在裂殖酵母中的實(shí)驗(yàn)一樣笛厦，組蛋白甲基化的改變似乎參與其中尘惧。由于組蛋白標(biāo)記可以影響負(fù)責(zé)從頭 DNA 甲基化以及 ncRNA 表達(dá)的酶系統(tǒng)，因此其他更傳統(tǒng)的核酸模板機(jī)制也可能進(jìn)入整體的表觀遺傳學(xué)遺傳程式递递。在植物中，“表觀遺傳控制者”——移動RNA啥么，已被證明是表觀遺傳信息的載體登舞，并且小 RNA 序列已被用于受精的小鼠卵母細(xì)胞的重編程。近期研究在精子中檢測到 ncRNA 和 tRNA 片段悬荣，這表明不僅只有 DNA 序列可以被遺傳菠秒。

6. 展望

在過去的 20 年里，表觀遺傳調(diào)控的分子機(jī)制的解析取得了意想不到的進(jìn)展氯迂，這對更好地理解正常發(fā)育以及人類疾病的治療具有深遠(yuǎn)影響践叠。在此，我們提倡對表觀基因組特征進(jìn)行更精確的定義嚼蚀，借鑒單細(xì)胞分析的進(jìn)展禁灼，但強(qiáng)調(diào)有必要區(qū)分表觀基因組改變的原因或結(jié)果。為此轿曙，我們將繼續(xù)使用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術(shù)弄捕，以便對遺傳和表觀遺傳調(diào)控進(jìn)行更全面的解析僻孝。染色質(zhì)動力學(xué)不再被認(rèn)為是一維或二維的問題，因?yàn)槿S空間中的長期相互作用守谓，產(chǎn)生了構(gòu)建基因組的拓?fù)湎嚓P(guān)結(jié)構(gòu)域（TAD）和其他染色質(zhì)區(qū)域（chromatin territories）穿铆，其有很好的文獻(xiàn)記載以及定義它們的新方法。此外斋荞，ncRNA在表觀遺傳調(diào)控的許多方面的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 RNAi 介導(dǎo)的 TGS 和 miRNA 依賴的 PTGS荞雏，并揭示了越來越多的染色質(zhì)相關(guān)的 RNA（例如，lncRNAs平酿、增強(qiáng)子 RNA 和重復(fù) RNA）凤优，它們可以啟動和穩(wěn)定不同的染色質(zhì)狀態(tài)，甚至在具有相同DNA序列的等位基因中也是如此染服。事實(shí)上别洪，RNA 被認(rèn)為是表觀遺傳調(diào)控的“主要分子”之一，ncRNA 的重要功能在最近的綜述中已經(jīng)被詳細(xì)闡述柳刮。

隨著更精準(zhǔn)的抑制劑（如 HDACi挖垛、DNMTi、iBET 和去乙醣牛化酶抑制劑）的開發(fā)痢毒，對更復(fù)雜的人類疾病（如代謝和神經(jīng)退行性疾膊仙）和習(xí)以為常的功能（如學(xué)習(xí)和記憶）的探索性研究將揭示對表觀遺傳聯(lián)合療法的響應(yīng)哪替。此外，新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)正被用來分析表觀遺傳學(xué)對群居昆蟲行為和表型多態(tài)性的貢獻(xiàn)菇怀。特別是對于代謝紊亂和環(huán)境驅(qū)動的適應(yīng)凭舶，染色質(zhì)似乎是整合變化輸入的生理模板。鑒于 1996 年至 2016 年間取得的進(jìn)展爱沟，我們預(yù)計(jì)會有更多的發(fā)現(xiàn)將繼續(xù)揭示染色質(zhì)適應(yīng)性是如何組織和顯露存儲在我們基因組中的信息的帅霜。

全文完。

編譯整理：楊智聰呼伸、劉夢醒身冀、徐鵬