表观遗传学
什么是表观遗传学？
表观遗传学可以定义为：在不改变底层 DNA 核苷酸序列的前提下，独立产生的染色质结构获得性改变。染色质或 DNA 发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等表观遗传修饰后，会改变 DNA 与转录元件的结合效率，从而影响基因的表达。了解更多表观遗传学相关信息。
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表观遗传机制
执行表观遗传修饰的功能分子，根据作用方式分为写入器、读取器、擦除器三类，主要负责添加、识别或移除组蛋白等分子上的特异性修饰标记。此外，小分子可作为激活剂或抑制剂，调控表观遗传酶的活性，而抗体则用于各类表观遗传修饰的检测。可按以下表观遗传靶点浏览产品：
| 表观遗传机制 | 写入酶 | 识别结构域 | 擦除酶 |
|---|---|---|---|
| DNA甲基化 | DNA甲基转移酶(DMT) | 甲基-CpG 结合结构域 | 主动 DNA 去甲基化酶；被动 DNA 去甲基化 |
| 组蛋白乙酰化 | 组蛋白乙酰转移酶(HAT) | 溴结构域; 串联 PHD 指; PH 结构域 | 组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) |
| 组蛋白精氨酸甲基化 | 蛋白质精氨酸甲基转移酶(PRMT) | Tudor结构域 (识别对称二甲基化精氨酸); WD40 结构域 | 组蛋白去甲基化酶 (JMJD6); 肽基精氨酸脱亚氨酶 (putative) |
| 组蛋白赖氨酸甲基化 | 组蛋白赖氨酸甲基转移酶 (KMT) | 染色质结构域; Tudor结构域; PHD指; MBT结构域; ZF-CW蛋白; WD40结构域; PWWP | 组蛋白赖氨酸去甲基化酶 |
| 组蛋白磷酸化 | 激酶 (JAK2, ATM/ATR, PKC, PKA, Haspin, 极光 B 激酶, RSK2, AMPK, MSK, MEK) | 染色质阴影结构域（磷酸化酪氨酸）; 14.3.3 蛋白(磷酸化丝氨酸); BIR 结构域; BRCT 蛋白 | 蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶; 蛋白酪氨酸磷酸酶 |
| 组蛋白泛素化 | 泛素 E2 结合酶; 泛素 E3 连接酶 | 去泛素化酶 |
组蛋白修饰的检测方法
表观遗传修饰决定了 DNA 序列中的遗传信息如何表达为特定表型。甲基化 DNA、组蛋白修饰等各类表观遗传标记与修饰酶，共同构成了表观遗传密码。不同表观遗传标记之间存在复杂的相互作用，还会影响表观遗传写入器、读取器和擦除器的活性，需依托多种实验技术开展研究。可针对特定标记或修饰因子选用对应方法，探究背后作用机制。
甲基化 DNA
现有多种技术可用于检测甲基化 CpG 序列，方法选择主要取决于研究目的，例如全基因组甲基化定量、特定基因区域甲基化分析等。
- 亚硫酸氢盐转化：DNA 样本经亚硫酸氢钠处理，未甲基化的胞嘧啶脱氨转化为尿嘧啶，从而可通过一代测序、二代测序（NGS）技术区分胞嘧啶与甲基化胞嘧啶。
- DNA酶切消化：利用不切割甲基化 DNA 的 DNA 内切酶进行酶切。这些酶对特定 DNA 靶标序列的消化作用，可生成不同长度的 DNA 片段，通过测序分析这些片段即可确定甲基化程度。
5-甲基胞嘧啶 ELISA 检测 5-甲基胞嘧啶 DNA ELISA 试剂盒（货号 NBP2-62131）采用间接 ELISA 原理，将变性处理后的单链 DNA 样本包被于酶标板孔表面，依次加入 5-mC 单克隆抗体、HRP 偶联二抗完成检测。
组蛋白修饰
染色质的翻译后修饰主要发生在组蛋白的氨基端“尾部”结构域中。修饰后的组蛋白会影响染色质的结构及其与读取器的相互作用，进而引发更多修饰反应。在写入器、擦除器、读取器的协同作用下，各类组蛋白翻译后修饰组合会通过不同机制直接调控基因表达。
研究组蛋白修饰对基因表达的调控，常用技术如下：
- 检测组蛋白修饰（类型与丰度）：采用斑点印迹、蛋白免疫印迹等免疫印迹分析，验证抗体特异性或定量分析组蛋白修饰丰度。
- 鉴定修饰后组蛋白互作蛋白：联合使用免疫沉淀与蛋白免疫印迹分析，鉴定组蛋白相互作用蛋白。
- 定位组蛋白标记的基因组位点：染色质免疫沉淀（ChIP）结合 PCR、NGS 或微阵列技术，可在全基因组范围内定位修饰组蛋白或变体，并检测其表达丰度。
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核心表观遗传机制
表观遗传学字面意为“基因之上”，指不改变 DNA 核苷酸序列，但可调控基因表达的修饰方式。表观遗传改变主要包括：
- DNA 或 RNA 的化学修饰（如甲基化）
- DNA 相关蛋白（如组蛋白）的化学修饰
- 组蛋白变体的整合改变染色质构象
- mRNA（约 22 个核苷酸长度的 RNA 序列）介导的 mRNA 降解
表观遗传修饰是由环境影响导致的，可在不改变 DNA 序列的前提下，增强或抑制基因表达。表型结果由各类表观遗传修饰的特定组合模式所决定。
表观遗传写入器可催化化学基团结合至组蛋白尾部或 DNA 分子上，由此形成各类表观遗传标记。一类典型的表观遗传写入器为组蛋白甲基转移酶，根据其作用靶点氨基酸的不同，可进一步分为赖氨酸甲基转移酶与精氨酸甲基转移酶。蛋白赖氨酸甲基转移酶（PKMT）催化甲基从辅因子 S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移到暴露的组蛋白尾部赖氨酸侧链上。组蛋白赖氨酸甲基化可将一个、两个或三个甲基基团转移至组蛋白尾部；不同甲基化程度具备不同生物学功能，与甲基化组蛋白相互作用的蛋白可精准区分单甲基化、双甲基化及三甲基化的赖氨酸。组蛋白精氨酸残基也可能在蛋白精氨酸甲基转移酶（PRMT）催化下发生甲基化反应。PRMT 能够产生单甲基化或双甲基化精氨酸残基，其中双甲基化可以是对称或不对称形式。添加到精氨酸残基上的甲基基团的对称性决定了表观遗传修饰的生物学效应：不对称二甲基化与基因激活相关，而对称二甲基化则与基因抑制相关。
除甲基化修饰外，组蛋白赖氨酸残基还可能通过组蛋白乙酰转移酶 (HAT)的活性发生乙酰化。将辅因子乙酰辅酶 A 的乙酰基转移至组蛋白尾部赖氨酸残基上，中和赖氨酸所带正电荷；这会削弱组蛋白尾部与 DNA 的亲和力，使染色质解聚、结构松散。松散的染色质更易招募转录因子和聚合酶，因此组蛋白乙酰化会促进基因表达。
催化组蛋白尾磷酸化的酶也是重要的表观遗传“写入器”。例如，JAK2可使组蛋白 H3（H3Y41）发生磷酸化，阻碍异染色质蛋白 HP1α 与染色质的结合，提升 DNA 可及性，进而驱动癌基因 lmo2 转录。Haspin, Pim-1, PKC, ATM/ATR等激酶也被证实可介导组蛋白磷酸化，并由此调控基因表达。
另一种可调控基因表达的表观遗传标记是泛素化。组蛋白 H2A、H2B 的赖氨酸残基可通过泛素 E2 结合酶和泛素 E3 连接酶的协同作用发生单泛素化。组蛋白 H2A 泛素化通过与多梳抑制复合物 1 (PRC1)等抑制复合物的相互作用，与基因沉默相关。相比之下，组蛋白 H2B 泛素化被认为可充当RNA聚合酶活性的检查点，为早期转录延伸阶段提供暂停机制以将 Ctk1 招募至 RNA 聚合酶 Ⅱ，并且与基因沉默和基因转录均有关联。另一个区别在于，组蛋白 H2B 是组蛋白 H3 第 9 位赖氨酸（H3K9）二甲基化、三甲基化的前提条件，而 H2A 泛素化则抑制组蛋白赖氨酸甲基化。
DNA 也可通过不同机制发生甲基化。 DNA甲基转移酶 (DNMT)将甲基基团加至 DNA 双螺旋大沟处的核苷酸上，阻碍转录因子与聚合酶的结合，从而抑制转录。DNA 甲基化在胚胎发育、基因组印记以及染色体稳定性维持中扮演着关键角色。已知 DNA 甲基化有两种类型：从头甲基化和维持型甲基化。从头甲基化主要由 DNA 甲基转移酶 DNMT3A、DNMT3B 催化，负责为胞嘧啶核苷酸添加甲基；细胞复制无法保留该类甲基修饰。维持型甲基化会将亲本 DNA 的甲基化标记复制到子链 DNA 中。体外实验证实 DNMT1 对半甲基化 DNA 亲和力极高，是体内执行维持型 DNA 甲基化的核心酶。
表观遗传识别结构域属于效应蛋白，可特异识别各类表观遗传标记，并被招募至标记位点。部分“写入”和“擦除”酶自身也带有识别结构域，从而实现“识别-写入”或“识别-擦除”的协同调控机制。
识别结构域通常会形成特定腔穴或表面凹槽，用以容纳特定的表观遗传标记。识别结构域与被修饰氨基酸的侧翼序列之间的相互作用，也使得含有识别结构域的蛋白能够区分相似的表观遗传标记，例如组蛋白赖氨酸的单甲基化、双甲基化和三甲基化。
含识别结构域的蛋白大致可分为四类：染色质结构蛋白、染色质重塑酶、染色质修饰酶，以及招募参与基因表达相关复合物的衔接蛋白。染色质结构蛋白可结合核小体，既能直接诱导染色质压缩，也能形成空间屏障，阻止参与 RNA 转录的相关蛋白结合。通过自我传播和寡聚化，这些染色质结构蛋白能够在相当长的 DNA 片段上实现对转录的抑制作用。
与染色质结构蛋白不同，染色质重塑酶能促使染色质结构更加松散，提升染色质可及性，进而促进 DNA 转录。染色质结构的这种变化由 ATP 水解产生的能量所驱动。其中一个例子是酵母染色质重塑酶复合物 RSC，其 Rsc4 亚基含有一个串联溴结构域，该结构域负责将复合物招募至组蛋白 H3（H3K14）上的乙酰化赖氨酸残基。RSC 参与多种细胞过程，包括核小体重塑，促进 RNA聚合酶 Ⅱ募集至底层DNA，从而启动基因转录。
除了染色质重塑酶和结构蛋白之外，许多含有识别结构域的蛋白并不能直接影响染色质构象，而是通过招募次级染色质修饰因子来进一步修饰染色质，或逆转已有的染色质修饰。例如共抑制因子复合物 Sin3S，可通过 Sin3 串联溴结构域被招募至甲基化组蛋白赖氨酸残基处。Sin3S 复合物同时包含 HDAC1、HDAC2、HDAC3 等组蛋白去乙酰化酶，被招募后会引发二次组蛋白修饰：组蛋白去乙酰化。
最后一类含有识别结构域的蛋白是衔接蛋白，其识别结构域主要用于招募各类功能因子，参与转录、DNA 损伤修复、DNA 重组、DNA 复制及 RNA 加工等 DNA 代谢过程。MDC1 的 BRCT 结构域（DNA 损伤应答的关键介导因子）与组蛋白 H2AX 上磷酸化丝氨酸残基的相互作用，作为衔接蛋白将组蛋白泛素连接酶 RNF8募集至双链断裂旁侧染色质。后续发生的组蛋白泛素化，又会进一步招募肿瘤蛋白 p53 结合蛋白 1 (TP53BP1)等 DNA 修复复合物。
表观遗传标记并非永久性修饰；一类被称为“擦除器”的酶可将其移除，逆转特定表观遗传标记对基因表达的调控作用。
组蛋白乙酰化是组蛋白和非组蛋白的重要翻译后修饰，对细胞过程的调控作用与磷酸化相当。在表观遗传学中，组蛋白乙酰化是可松解染色质、促进基因转录，而组蛋白去乙酰化酶 (HDAC)则负责移除乙酰基，是与之制衡的关键机制。HDAC可划分为第一组与第二组两大类别。第一组可进一步细分为Ⅰ、Ⅱ 和 Ⅳ类，包含锌依赖性酰胺水解酶；而第二组酶（也称为 Ⅲ 类或 SIRT）则依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）作为辅因子。
组蛋白磷酸酶能够靶向组蛋白上的磷酸化丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。P蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶 PP1、PP2A、PP4 等，均可催化组蛋白去磷酸化。例如，PP2A 的催化亚基可与磷酸化 H2AX 共定位。磷酸化 H2AX 是组蛋白 H2A 的一种磷酸化序列变体，能快速富集于 DNA 双链断裂侧翼的染色质结构域中。磷酸化 H2AX 作为 DNA 修复蛋白的结合位点，并在双链断裂修复完成后从染色质释放；这一机制被认为与 PP2A 有关。
组蛋白赖氨酸残基上的泛素基团，由被称为去泛素化酶 (DUB)的蛋白酶催化移除。这类酶可进一步分为泛素特异性蛋白酶（USP）、Jab1/MPN 结构域相关金属异肽酶（JAMM）等类别。USP 与 JAMM 家族成员均被发现能够靶向组蛋白 H2A、H2B，参与调控转录、DNA 修复、基因表达及细胞周期进程。与其他组蛋白修饰相比，组蛋白泛素化的功能尚不十分明确，但越来越多证据表明，这种表观遗传修饰在 DNA 损伤应答中发挥重要作用。
首个被发现的组蛋白去甲基化酶是赖氨酸特异性去甲基化酶 1 (LSD1)，亦称 KDM1。LSD1 含有氨基氧化酶结构域，该结构域可结合辅因子黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），这对去甲基化过程至关重要。后续研究又发现了另一类赖氨酸去甲基化酶，称为含Jumonji C结构域的去甲基化酶 (JMJD)。这类酶不依赖 FAD 作为辅因子，而是依赖 Fe2+/2- 酮戊二酸（2-OG）进行催化反应。目前，仅发现一种具有精氨酸去甲基化酶活性的酶，即JMJD6，它同样是依赖 2-OG 的 JmjC 去甲基化酶。
组蛋白表观遗传标记清除机制已研究得较为清晰，但核苷酸甲基去除机制仍未完全阐明。不过，已知的是，DNA 去甲基化既可以主动发生，也可以被动发生。被动 DNA 去甲基化是指在有丝分裂过程中，维持型 DNA 甲基转移酶未能对新合成的 DNA 链进行甲基化修饰；而催化主动 DNA 去甲基化的分子机制尚未明确。DNA 去甲基化对生殖细胞表观遗传重编程等过程至关重要，深入探究主动 DNA 去甲基化机制，有望为干细胞研究挖掘全新作用靶点。
表观遗传机制在胚胎发育中扮演关键角色：多能干细胞的基因组通常呈现高度甲基化状态，而细胞分化过程会伴随 DNA 甲基化标记的丢失。此外，受特定组蛋白修饰调控，多能干细胞的染色质大多处于松散开放状态；而分化后细胞则以浓缩染色质为主。近年研究还发现，表观遗传机制可调控自噬过程，这一稳态机制能够有效调控细胞组分。
表观遗传标记的频率或位置异常，往往是由于 DNA、组蛋白修饰酶功能失常所致，这与包括癌症、神经退行性疾病在内的多种疾病状态密切相关。这些表观遗传修饰的失调已显示出可导致瘤形成和癌症进展。组蛋白修饰、DNA 甲基化以及染色质重塑可调控细胞周期、增殖与转移。例如，肿瘤抑制基因的过度甲基化已被确认为一种促进肿瘤发生的异常表观遗传机制。
神经退行性疾病多与衰老相关。环境因素（如吸烟、饮食）会随时间促进表观遗传标记的改变，最终可能导致神经元死亡。例如，帕金森病与组蛋白乙酰化的抑制有关，而组蛋白去乙酰化酶 (HDAC)抑制剂可减轻神经毒性。在阿尔茨海默病中，HDAC 抑制剂能够抑制淀粉样 β 蛋白诱导的 tau 蛋白过度磷酸化，同时下调认知功能丧失相关基因表达；同时，在亨廷顿病中，HDAC 抑制剂同样具有治疗作用。
类风湿关节炎（RA）的发病同样和多项表观遗传修饰有关。患者滑膜成纤维细胞呈现一种与健康成纤维细胞截然不同的 DNA 甲基化模式。类似地，已有研究证实类风湿关节炎患者中 CD4+ T 细胞的低甲基化会导致细胞功能失调。Treg 细胞关键基因启动子和增强子发生 DNA 甲基化后，其抑制炎症的能力也会受损。