表观遗传学检测这么火
确定不来了解一下吗？
1866年孟德尔在《植物杂交试验》中揭示了孟德尔遗传定律，这一创造性的工作可以看作是遗传学的起源[1]。“遗传学”这个词正式的被提出是在1906年，用来表示新的遗传科学，它主要是建立在孟德尔遗传定律的基础上来进行研究[2]。我们通常称之为经典遗传学。经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸，生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上，碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变，而且这种改变是可以从上一代传递到下一代的[3]。随着生物学各学科的发展，研究人员也发现了很多经典遗传学无法解释的现象，例如DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化[3]。基于此，随着研究的不断深入，表观遗传学应运而生。
那究竟什么是表观遗传学呢？表观遗传学是指，在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了生物体表型的变化[4]。表观遗传学的改变主要通过以下3个层面上调控基因的表达[5]：
DNA修饰：DNA共价结合一个修饰基团，使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态；
蛋白修饰：通过对特殊蛋白修饰或改变蛋白的构象实现对基因表达的调控；
非编码RNA的调控：RNA可以通过某些机制实现对基因转录的调控及对基因转录后的调控。
那么接下来的篇幅，我们就来简单的了解一下这3种不同的修饰到底是如何导致生物体表型变化的。
01
DNA修饰
这一类别中研究比较多的就是DNA甲基化和DNA羟甲基化。
一般认为，同一个生物个体内几乎所有不同类型的细胞都拥有几乎完全相同序列的基因组DNA。然而各种细胞的形态和功能千差万别，这说明同样序列的DNA分子在不同类型的细胞中发挥着不同的作用，指导细胞实现不同的功能[6]。DNA甲基化是在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸（s-adenosylmethionine，SAM）为甲基供体，将DNA序列上CpG岛的二核苷酸5’端胞嘧啶转变为5’甲基胞嘧啶（5’ methyl cytosine，5mC）[7]。现在研究表明甲基化的表达情况与肿瘤、癌症的发生发展和胚胎发育密切相关。在医学的应用上，寻找和特定疾病相关的DNA甲基化标识，并历用这些标识对疾病进行检测也是现在研究的发展方向[８]。DNA甲基化前最早发现的、也是研究最多的表观遗传修饰，在X染色体失活、基因组印记、动物胚胎发育、基因表达调控等生物过程中具有重要功能[9]。
DNA 羟甲基化是在 DNA 甲基化的基础上，在胞嘧啶第五位碳原子的甲基基团上增加一个羟基生成 5-羟甲基胞嘧啶而完成 DNA 的去甲基化过程。虽然现在对于DNA羟甲基化的功能并不是很明确，但是已经由研究可以表明这个在基因组表观遗传重组和基因表达调控中起到了重要的作用。
02
蛋白修饰
蛋白修饰指的是组蛋白的基础氨基末端尾部突出与核小体，常常在转录后发生变化，主要包括了甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等翻译后的修饰，这些修饰构成了丰富的“组蛋白密码”，可以影响染色质的压缩松紧程度，因此其可在基因表达中起调节作用[10]。组蛋白密码和它的解码机制在不同物种中是不仅相同的，动物、植物、真菌的解码机制均有所不同。同时组蛋白修饰的异常对于胚胎发育有重要的影响。
03
非编码RNA的调控
非编码RNA（Non-coding RNAs）指的是不能翻译成蛋白的功能RNA分子，可以分成看家非编码RNA（Housekeeping non-coding RNA）和调控非编码RNA（Regulatory non-coding RNA），其中有调控作用的非编码RNA按照其大小可以分为：短链非编码RNA，其中主要包括了siRNA、miRNA、piRNA；长链非编码RNA（Long non-coding RNAs，LncRNA）[10]。
我们通常称短链非编码RNA为small RNA，是一类重要的体内调节分子，长度在18-30 nt之间。它的功能主要是诱导基因沉默，参与基因转录后调控，从而调节细胞生长、分化，以及个体发育、生殖等重要生物学过程。高通量测序技术可以对样本中所有small RNA家族进行测序和表达定量，从而解析miRNA、siRNA、piRNA和其它非编码RNA以及相应靶序列。
长链非编码RNAs是一类转录本长度大于200 nt且不编码蛋白质的RNAs（不含rRNA），广泛存在于各种生物体内。哺乳动物基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是LncRNA（相应的蛋白编码RNA比例是1%）。近年来研究表明，LncRNA参与了多种重要的调控过程，如X染色体沉默、基因组印记及染色质修饰等。通过LncRNA测序，可以快速获得与其生物学过程或者疾病相关的LncRNA的表达变化，从而促进LncRNA的深入研究。
表观遗传学补充了传统遗传学所忽略的问题，随着研究的深入，对于各种在表观遗传学中涉及到的各种分子的突变研究从而导致的相关基本的研究将有助于我们了解遗传的机制，对后期疾病的诊断和治疗，以及指导用药都有十分重要的意义和价值。
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参考文献
1. 遗传学，百度百科，2022年10月8日，https://baike.baidu.com/item/%E9%81%97%E4%BC%A0%E5%AD%A6/233918?fromModule=lemma_search-box.
2. Jean Gayon. From Mendel to epigenetics: History of genetics[J]. Comptes Rendus Biologies,2016,339: 225-230.
3. 李光雷, 喻树迅, 范术丽, 等. 表观遗传学研究进展[J]. 生物技术通报,2011,1: 40-49.
4. 董玉玮, 侯进慧, 朱必才, 等. 表观遗传学的相关概念和研究进展[J]. 生物学杂志,2005,22(1):1-3.
5. 张永彪, 褚嘉祐. 表观遗传学与人类疾病的研究进展[J]. 遗传,2005,27(3):466-472.
6. 闫丽盈，郭帆，汤富酬, 等. 人类原始生殖细胞的转录组和DNA甲基化组概观[J]. 科技导报,2016,34(13):70-76.
7. 王震凯. DNA甲基化与肿瘤[J]. 医学研究生学报,2011,24(6):641-645.
8. 凡时财, 张学工. DNA甲基化的生物信息学研究[J]. 生物化学与生物物理进展,2009,36(2):143-150.
9. Li E, Beard C, Jaenisch R. Nature[J]. 1993,366,362.
10. 于红. 表观遗传学：生物细胞非编码RNA调控的研究进展[J]. 遗传,2009,31(11):1-17.
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