什么是表观遗传学？

2024/08/28

表观遗传学

是什么？

用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是表观遗传学？

表观遗传学是一个与控制基因是否使用的开/关机制相关的研究领域。我们的身体由细胞组成，每个细胞都包含该有机体所需的所有基因。然而，并非所有基因在所有细胞中都始终发挥作用。在一个细胞中使用的基因可能不能在另一细胞中使用。了解控制这些基因的机制将有助于阐明疾病的原因和治疗应用。

表观遗传学中的“epi”在希腊语中意为“之上”，“遗传学”在英语中意为“遗传学”。遗传学关注的是“基因是否存在”，而表观遗传学则假设基因存在，并关注下一步“是否使用基因”。我们向生物医学研究部脑功能调节研究组组长浪平翔一询问了表观遗传学，从熟悉的例子到分子机制以及与疾病的关系。

表观遗传学示例

三色猫表观遗传学

　印花布猫经常被作为熟悉的表观遗传学的一个例子来介绍。印花布猫是具有三种毛色的猫：白色、黑色和棕色。在这三种颜色中，产生棕色的基因和产生黑色的基因位于细胞的 X 染色体上。雌性有两条 X 染色体 (XX)，三色猫的一条 X 染色体上有棕色基因，另一条 X 染色体上有黑色基因。如果这两个基因都发挥作用，皮毛将是深棕色，棕色和黑色的混合物，再加上白色，就会只有两种颜色。

实际上，在女性细胞中，两条X染色体中只有一条具有功能，另一条X染色体失活，因此不起作用。因此，在某些细胞中，只有棕色基因发挥作用，而在其他细胞中，只有黑色基因发挥作用，从而产生了三色猫。

　三色猫只有一个基因发挥作用，而另一个基因则不起作用，这是表观遗传学的一个例子，表观遗传学是决定是否使用基因的机制。

表观遗传学决定我们细胞的功能

　我们的身体由多种具有不同外观和功能的细胞组成，如神经细胞、白细胞和肠道细胞。所有细胞都是由受精卵分裂产生的，并具有共同的基因。每个细胞都有产生神经递质的基因和产生消化酶的基因。

　然而，皮肤细胞中不产生神经递质，神经细胞中不存在消化酶，是因为每个细胞都有使用的基因和不使用的基因。这意味着在神经细胞中，产生神经递质的基因被打开，而与消化酶相关的基因被关闭。表观遗传学控制每种细胞类型使用哪些基因。

　如果所有基因都在没有表观遗传控制的情况下在每个细胞中发挥作用，那么身体就会陷入混乱，白细胞会分泌消化酶，神经细胞会像心脏一样跳动。

表观遗传学的工作原理

　表观遗传学就像打开和关闭控制是否使用基因的开关。表观遗传学在分子水平上的机制是什么？

　当你听到DNA这个词时，你想象的是双螺旋结构。事实上，DNA 包裹在细胞内称为组蛋白的蛋白质周围。然后用甲基、乙酰基等对DNA和组蛋白进行化学修饰。与甲基成键称为甲基化，与乙酰基成键称为乙酰化。负责甲基化和乙酰化的酶分别是甲基转移酶和乙酰化酶。

组蛋白修饰图 — 甲基和乙酰基与 DNA 和组蛋白结合。无论该基因是否被使用，这都会改变。此外，甲基和乙酰基具有能够被酶去除或结合在一起的灵活性，这种附着和分离控制着基因是否被使用。
上图中，使用了基因，乙酰基与组蛋白结合，使组蛋白稀疏，从而更容易读取 DNA 上的遗传信息。相反，当不使用基因时，乙酰基会被去除，导致组蛋白聚集在一起，从而无法读取 DNA 上的遗传信息。

　这种化学修饰就像基因蓝图中的一个里程碑。因为你只是添加一个标记，所以如果有标记，你可以使用该基因，如果有不同的标记，你可以不使用该基因，而无需改变DNA序列或基因本身。因此，表观遗传学的严格定义是“基因功能的变化，在不改变基因（DNA）序列的情况下，在分裂后传递给后代或细胞。”如果小鼠不能产生某些参与修饰DNA的酶，则无法在胎儿阶段发育出正确的体型。表观遗传学是胚胎发育阶段的一个重要现象，胚胎发育阶段是身体从受精卵发育而来。

表观遗传学和疾病

表观遗传学和出生后疾病

　表观遗传学不仅与发育有关。事实上，人们已经发现，出生后以及成年后的疾病与疾病有着密切的关系。尽管一些癌症、生活方式相关疾病和精神疾病是由基因突变（DNA 序列的变化）引起的，但表观遗传学的变化（可打开和关闭基因）被认为与疾病的发病有更多关系。表观遗传学的变化受到环境的强烈影响。

　甲基和乙酰基参与表观遗传学，它们是通过细胞代谢产生的。细胞代谢状态的变化取决于其环境，可能会改变这些化学修饰基团的产生量，进而可能改变表观遗传状态。

　影响表观遗传状态的环境因素包括饮食、吸烟、饮酒和压力。因此，即使具有相同基因的同卵双胞胎也不一定具有相同的表观遗传状态。一篇论文报道，虽然同卵双胞胎在3岁时的表观遗传状态非常相似，但到50岁时，他们的表观遗传状态却显着不同。这意味着生活经历和生活习惯可以极大地改变表观遗传状态。

治疗药物和表观遗传学

　虽然表观遗传学与疾病的发生有关，但也有治疗药物可以改变表观遗传学的状态。某些癫痫和双相情感障碍的治疗药物会抑制神经元活动，但近年来发现它们会抑制组蛋白脱乙酰酶的功能并改变表观遗传学的状态。随着此类研究的进展，我们希望了解更详细的药理作用，帮助减少药物带来的副作用。

表观遗传学研究前景

　我们之前发现组蛋白去甲基化酶 LSD1 是神经元发育所必需的。在小鼠神经细胞中没有观察到这种效应，表明这是人类特有的效应。这样，我们期望表观遗传学研究可以用于了解大脑发育并应用于神经系统疾病的治疗。

　为了阐明疾病的原因、诊断疾病并将其应用于治疗，有必要比现在更有效地研究表观遗传学的状况。因此，我们也在努力开发能够在更短的时间内、更省力地检测表观遗传状态的技术。除了生化方法之外，我们还与 AIST 信息和人体工程学领域的研究人员合作，将超分辨率显微镜和人工智能相结合，开发能够以前所未有的精度快速捕获表观遗传学状态的技术。

　未来，我们希望通过产业界、学术界和政府之间的合作，开发专注于表观遗传学的诊断技术。另外，如果您想研究某些功能性物质对表观遗传学的影响，请随时联系我们并利用 AIST 的知识。