表觀遺傳學(xué)前沿述評

編譯 李升偉

表觀遺傳學(xué)是細(xì)胞調(diào)控基因表達(dá)的眾多方式之一，它研究基因在不改變其遺傳密碼或DNA序列的情況下開啟或關(guān)閉的機(jī)制。表觀遺傳學(xué)幫助科學(xué)家更好地理解復(fù)雜多樣的生物過程，如細(xì)胞分化、基因組印記和X染色體失活，并通過兩個(gè)機(jī)制過程進(jìn)行操作：組蛋白修飾(如甲基化、乙酰化、泛素化和磷酸化)以及胞嘧啶堿基對的直接甲基化。

作為表觀遺傳學(xué)評估和干預(yù)的兩種新方法，APOBEC偶聯(lián)表觀遺傳測序（ACE-seq）和CRISPR具有顯著增強(qiáng)表觀遺傳學(xué)研究及其臨床應(yīng)用的潛力。

2018年10月發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》上的一篇文章中提到，ACE-seq是一種不含亞硫酸氫鹽的方法，用于低DNA輸入并且不損傷DNA的情況下，以單堿基分辨率對5-羥甲基胞嘧啶進(jìn)行定位。用亞硫酸氫鹽處理DNA后進(jìn)行PCR擴(kuò)增是目前檢測甲基化胞嘧啶的黃金標(biāo)準(zhǔn)表觀遺傳學(xué)分析方法，但在極端pH和高溫下，該方法會破壞樣本。另一方面，ACE-seq使用的是AID/APOBEC酶家族的一個(gè)成員，它能催化單鏈DNA中從胞嘧啶到尿嘧啶的脫氨作用，對5-羥甲基胞嘧啶的脫氨作用具有很高的活性和特定的能力。在酶處理后對樣品進(jìn)行測序，用戶可以通過掃描尿嘧啶來從胞嘧啶和5-甲基胞嘧啶中區(qū)分出5-羥甲基胞嘧啶。

與亞硫酸氫鹽相比，ACE-seq具有許多優(yōu)點(diǎn)，可以在不降解樣品的情況下達(dá)到與亞硫酸氫鹽相同的效果。ACE-seq能夠更好地識別常見的和不常見的表觀遺傳學(xué)修飾，并有助于對整個(gè)基因組進(jìn)行測序。

2017年，美國加州索爾克生物研究所的科學(xué)家報(bào)告了一種基于CRISPR-Cas9的系統(tǒng)，可以通過調(diào)節(jié)組蛋白修飾而不是編輯DNA序列來激活體內(nèi)的靶基因。他們的系統(tǒng)成功地改善了糖尿病和肌營養(yǎng)不良小鼠模型的疾病癥狀。在本文發(fā)表之前，大多數(shù)改變表觀遺傳過程的方法都依賴于廣泛添加或移除組蛋白修飾的藥物，這些藥物可能會影響脫靶基因并產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用。其他小組也在使用改良的CRISPR-Cas9復(fù)合物，通過在核小體水平誘導(dǎo)甲基化或乙酰化來重寫組蛋白標(biāo)記。

利用ACE-seq和CRISPR-Cas9技術(shù)，科學(xué)家將有更好的工具來探索與表觀遺傳學(xué)相關(guān)的基本問題。在整體層面，這些方法可以幫助我們更好地確定一個(gè)特定的表觀遺傳標(biāo)記是導(dǎo)致基因表達(dá)的變化，還是僅僅與遺傳活性的變化相關(guān)，以及表觀遺傳標(biāo)記是相互協(xié)同作用還是在上位性地協(xié)同作用。更具體地說，這些技術(shù)可以解決許多未解決的問題。首先，在什么條件下表觀遺傳學(xué)變化會影響基因調(diào)控的其他機(jī)制，如轉(zhuǎn)錄因子、基因-基因相互作用和能夠阻斷轉(zhuǎn)錄的非編碼RNAs？第二，在什么條件下表觀遺傳學(xué)變化會傳給后代？第三，特定環(huán)境因素針對一個(gè)或幾個(gè)基因產(chǎn)生改變表型結(jié)果的精確機(jī)制是什么？第四，是什么決定了環(huán)境觸發(fā)表觀遺傳學(xué)靶向的細(xì)胞類型或組織？最后，在什么情況下表觀遺傳模式會被生活方式或藥物改變所逆轉(zhuǎn)？檢查所有這些問題將使醫(yī)生更好地理解如何將表觀遺傳學(xué)信息納入醫(yī)療診斷和治療方案。

表觀遺傳學(xué)的研究在醫(yī)學(xué)上已經(jīng)有許多直接的應(yīng)用，包括：癌癥化療；分析自然獲得的胚胎與試管授精的健康狀況；腫瘤診斷；神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)作，如阿爾茨海默病。通過表觀遺傳協(xié)議可以治療的疾病范圍也許可以解釋為什么像“哥譚療法”這樣的公司已經(jīng)啟動(dòng)了數(shù)百萬美元的藥物發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目，重點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)藥物。一些公司（如“表觀基因組學(xué)公司”）和研究中心評估從癌癥患者血液中提取的無細(xì)胞DNA中的表觀遺傳學(xué)特征，以確定腫瘤的組織來源。

如果利用這些新技術(shù)的表觀遺傳學(xué)研究能夠成功地為疾病預(yù)防、診斷和治療提供一些線索，那么該研究就可以擴(kuò)展到與人類行為和情緒相關(guān)的表觀遺傳學(xué)研究。攻擊性、暴力、性偏好、冒險(xiǎn)、快樂、抑郁，甚至靈性都可能受到基因調(diào)控的影響，包括表觀遺傳學(xué)，其機(jī)制尚不精細(xì)明確。也有很多證據(jù)表明，飲食、睡眠、鍛煉和壓力控制著基因表達(dá)，但在這方面，其行為方式也需要探索。

結(jié)合這些新的表觀遺傳學(xué)技術(shù)，在檢測控制基因表達(dá)的多種生物學(xué)因素時(shí)，將更好地闡明環(huán)境因素和生活方式是否或如何改變我們通常認(rèn)為的DNA命運(yùn)。

資料來源 The Scientist