我们知道，遗传学是研究生物遗传和变异的一门学科，决定我们生命蓝图的这些遗传信息就存储在基因组当中，这些信息对表型（长相、身高、患疾病的风险等）的决定十分关键。所以遗传学的重要性再怎么强调也不为过。但是，我们不妨再思考这样几个问题。既然人体内所有细胞的基因组都一样，那么是如何产生执行不同功能的组织器官（肝细胞、肺细胞、神经元等多种细胞类型）的呢？为什么基因组一致的同卵双胞胎，在某些性状方面的差异却十分显著？这些用遗传学理论很难解释的现象，其实都指向了一个答案，在基因组编码规则之上，还有一双看不见的调控之手，那就是表观遗传。它可以使具有完全相同基因组序列的细胞或个体表现出截然不同的性质。表观遗传其实是相对于遗传学而提出的一个概念，是指在基因序列不发生改变的前提下基因表达受到调控的遗传机制。自然界中表观遗传学涵盖的现象有很多，比如植物叶子颜色的多样性、蜂王与工蜂的差异、受精卵分化、同卵双胞胎的环境影响、X染色质失活、基因组印迹等。

图1：双胞胎的表观遗传

提到遗传，我们不得不先来看看经典的中心法则：遗传信息从 DNA 传递给 RNA，再从 RNA 传递到蛋白质，完成遗传信息的转录与翻译过程。大家可能听说过括转录和翻译，转录是中心法则的第一步，即是从 DNA 到 RNA 信息传递的过程。第二步是翻译，即是从RNA信息到蛋白质。了解这样一个信息流传递的基本流程，有助于我们理解表观遗传在每一步发挥的重要作用。接下来，就让我们一起看看表观遗传在遗传信息传递过程中到底发挥着哪些作用。

图2：中心法则

我们不妨来先看看DNA序列在我们体内是如何存在的，大家可以看下面这幅图，DNA序列像“绳子”一样和组蛋白结合缠绕在一起，以染色质的形式储存在我们的细胞核中。组蛋白含有带正电荷的氨基酸，如赖氨酸（Arg，R）和精氨酸（Lys，K），因此带正电，而 DNA 带负电，两者紧密结合在一起。不仅如此，染色质会经历一个多级折叠压缩的过程。通过这种方式，长2 m的DNA序列才能储存在直径5 μm的细胞核中。如果仔细瞧瞧这染色质，我们会发现其中包含缠绕较紧密和缠绕较松弛伸展的区域，科学家们分别叫做异染色质区和常染色质区。不难想象，如果基因处在缠绕紧密的异染色质中，转录因子等蛋白就无法靠近DNA序列，所以该基因就无法发生转录；相反，如果基因处在伸展的常染色质区域当中，该基因就易于发生转录表达。尽管基因组序列是一个静态不变的结构，这种常异染色质构象的动态变化在我们成长过程中随时随地地在发生着。我们可以形象地将这种染色质构象的变化称之为控制基因表达的“开关”。

图3：染色质多级折叠缠绕

那么这种“开关”是如何打开，又是怎样“关闭”的呢？组蛋白修饰在这个过程中发挥着重要作用。前面我们已经知道了DNA和组蛋白结合在一起以染色质形式存在。现在我们再看这张放大版的组蛋白，它的外周好像长了几个长长的尾巴，其实这是它延伸出来的肽链。有意思的是，这些尾巴上的许多氨基酸可以“戴上一个帽子”，比如甲基帽子（-CH3）、乙酰帽子（-ac）等等。不要小瞧这些帽子的作用，这些修饰在特定条件下组合在一起可以向染色质发出“打开”或“关闭”信号，从而引起染色质构象的改变。需要注意的是，这些“帽子”在细胞内是动态变化的，分别由被称作“writer”和“eraser”的蛋白完成“带帽”和“脱帽”过程，并招募特定“reader”蛋白，从而实现染色质构象精密调控。可想而知，如果正常加“帽”过程受到影响，则可能会引发一系列疾病。

图4：组蛋白上的各种化学修饰

不仅组蛋白上有修饰，我们的DNA上也有。如果将甲基基团比作一顶帽子，那么DNA甲基化好像是在特定碱基上给DNA上戴上了一顶“帽子”，并且它也可以控制“开关”某些基因。比如，如果一个基因的启动子区域在未甲基化时，各种转录元件就能够汇集到该基因旁，该基因是能正常转录的；而当启动子被甲基化后，转录元件无法靠近，该基因就不能转录而发生沉默。并且，有意思的是，这些附着在DNA上的“帽子”可以和组蛋白上的“帽子”合作，从而实现一系列更加复杂精细的调控过程。正是由于DNA和组蛋白上这些修饰的存在，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。

当然，上面说的这些只是表观遗传学的冰山一角，表观遗传领域还有更多丰富有趣的知识。比如非编码RNA、RNA修饰等等。感兴趣的读者可以再深入了解。

图5：DNA甲基化

为什么我们说表观遗传机制是十分重要的？因为它实际上是作为连接生命响应与环境变化的一个桥梁。我们从父母那里继承的DNA序列在我们一生当中几乎不会发生改变，更多的情况下，环境因素是通过影响我们的表观信息（比如我们刚才提到的组蛋白修饰和DNA甲基化等），来影响基因表达。所以从这个意义上来说，表观遗传信息好像是生命自身对外界环境的一个忠实记录和总结。它们深刻地反映着我们所处的环境信息以及个体的生活习惯。所以，一方面，这些表观信息在提示着我们保持一个良好生活习惯是十分重要的，另一方面，这些表观信息也可以用于挖掘一些疾病的早期诊断标志，来帮助实现某些疾病的早发现、早诊断和早治疗。我们相信表观遗传领域研究的不断深入，未来能够更好地为人类健康造福。

参考文献

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