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表觀遺傳研究領(lǐng)域的一個重要而有趣的問題是：表觀遺傳信息能否像 DNA 序列一樣，從父母傳遞到下一代呢？
為了回答這個問題，讓我們先從兩性生殖說起。
我們知道，人類的出生需要父母的遺傳物質(zhì)結(jié)合。我們享受著雙親無微不至的照顧，在他們的悉心呵護下茁壯成長。但是，一個很有意思的問題是，為何包括人類在內(nèi)的很多高等生物，必須通過父母有性生殖才能產(chǎn)生后代？
兩性生殖的奧秘
DNA 甲基化介導(dǎo)的表觀遺傳信息的遺傳及重編程
為了探索上述問題，早在 20 世紀 80 年代，科學家們就進行了一項有趣的實驗。在自然條件下，兩只雄性小鼠或兩只雌性小鼠是無法通過正常受精產(chǎn)生后代的?？茖W家通過顯微操作，將受精卵中雄（雌）原核置換成來自另外一個細胞的雌（雄）原核，這樣人工制造形成具有兩套母本基因組或兩套父本基因組的“受精卵”，科學家們稱之為孤雌或孤雄胚胎（圖1）。檢測發(fā)現(xiàn)，這種“單親”胚胎是不能正常發(fā)育成小鼠的，而只有那些同時具有雙親細胞核的胚胎才可以正常出生。當胚胎發(fā)育一段時間后，科學家們發(fā)現(xiàn)，正常胚胎中一部分細胞會分化為胚胎外部的營養(yǎng)和支持組織（胚外組織，如一些細胞后續(xù)會發(fā)育成提供營養(yǎng)的胎盤），另一部分細胞則將分化為胚胎個體本身（胚內(nèi)組織）。相反，孤雄生殖的胚胎中細胞更多地發(fā)育為胚外組織；而孤雌胚胎中的細胞則恰恰相反，會更多地向胚內(nèi)組織發(fā)育。因此僅僅具有單親基因組的胚胎無法正常發(fā)育成為完整的個體。
圖1 孤雌及孤雄生殖示意圖
注：MAT 為母本基因組；PAT 為父本基因組。
從這些嘗試中科學家們發(fā)現(xiàn)，無論是母本還是父本基因組，似乎都帶有某些該親本所特有的信息，而這些信息是子代胚胎發(fā)育所必需的。進一步的實驗表明，這些信息似乎不是來源于 DNA 遺傳序列的差別，因為科學家可以用父本和母本 DNA 序列幾乎完全相同的小鼠進行以上實驗，但是擁有兩套母本或父本基因組的小鼠仍然不能正常發(fā)育和出生。這表明，父母雙方的差別不僅在于 DNA 遺傳序列方面，也包括 DNA 序列之外的一些信息。這些和 DNA 序列本身無關(guān)，但是可以遺傳給子代的信息被稱為表觀遺傳信息。缺失父母任何一方的表觀遺傳信息，胚胎都無法正常發(fā)育。
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隨著研究越來越深入，科學家們發(fā)現(xiàn)這些異常發(fā)育的胚胎中有一些基因，其來源于父本和母本的表達有很大差別。比如，H19基因可以控制胚胎大小及細胞生長。它的異常表達不僅導(dǎo)致胚胎發(fā)育異常，還可能引發(fā)某些癌癥的發(fā)生。這個基因的特點是在正常發(fā)育的胚胎中，來自于母親的基因拷貝表達，而來自于父親的基因拷貝不表達。如果有兩個母本的拷貝，H19就會過量表達；而如果有兩個父本的拷貝，H19表達量就會太低（圖2）。這種親本間基因表達差別是由于調(diào)控該基因表達的 DNA 序列上甲基化程度存在差異。這種來源于不同親本的 DNA 序列有差異甲基化的現(xiàn)象被稱為基因組印記（genomic imprinting）。
圖2 印記基因 H19調(diào)控表達機制
DMR 為 Differentially Methylated Region，差異甲基化區(qū)域；enh 為 enhancer，即增強子，可調(diào)控基因表達，是提高基因轉(zhuǎn)錄水平的基因組DNA 元件；MAT 為母本基因組；PAT 為父本基因組。其中差異甲基化區(qū)域（DMR）在母本基因組中保持低甲基化，因而能夠“招募”一類絕緣子蛋白——CTCF 蛋白，結(jié)合到該區(qū)域，從而促使該增強子與 H19基因發(fā)生相互作用，增強H19在母本基因組的表達；而在父本基因組上，該區(qū)域甲基化水平較高，導(dǎo)致 CTCF 蛋白無法結(jié)合到該區(qū)域，使得增強子無法與H19基因聯(lián)系，抑制了H19基因的表達。
由此可見，DNA 甲基化對基因組印記的形成非常重要。那么何為DNA 甲基化呢？
DNA 甲基化是指在 DNA 甲 基 轉(zhuǎn) 移 酶 的 作 用 下， 將 供 體 上 甲 基（CH?）基團轉(zhuǎn)移至胞嘧啶（C）的 5′碳原子上，形成甲基化胞嘧啶的過程。在哺乳動物體內(nèi)，該反應(yīng)主要發(fā)生在基因組序列 CpG 位點上。一般來說，啟動子區(qū)域甲基化水平與基因表達水平呈現(xiàn)負相關(guān)。啟動子區(qū)高甲基化與基因沉默相關(guān)；相反，基因表達通常伴隨著啟動子區(qū)甲基化的降低或缺失。DNA 甲基化的建立主要依賴于 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶 DNMT家 族。 該家 族 蛋 白 能 通 過 S-腺 苷 甲 硫 氨 酸（S-adenosyl-methionine, SAM）提供的甲基來修飾胞嘧啶。DNMT 蛋白家族主要包括 DNMT1、DNMT2、DNMT3A、DNMT3B 和 DNMT3L 五個成員。最新研究發(fā)現(xiàn)了一種新的 DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶，被命名為 DNMT3C。而 DNA 去甲基化的機制比較復(fù)雜，其中被廣泛研究的主要是氧化去甲基化過程中的 TET（ten-eleven translocation） 蛋 白 家 族， 包 括 TET1，TET2 及 TET3。TET蛋白是一種依賴于 α-酮戊二酸及二價鐵離子的雙加氧酶，通過氧化催化5-甲基胞嘧啶（5mC）轉(zhuǎn)化為 5-羥甲基胞嘧啶（5hmC），并最終被未被修飾的胞嘧啶替代，從而實現(xiàn)甲基化主動去除。
DNA 甲基化是生物體內(nèi)最重要的表觀遺傳標記之一，既參與調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、維持染色體結(jié)構(gòu)，也在基因印記、X 染色體失活等方面發(fā)揮重要作用。DNA 甲基化異常也是導(dǎo)致癌癥發(fā)生的原因之一，因此，維持體內(nèi)的甲基化水平正常對生物體生長發(fā)育十分重要。
基因印記主要指在配子形成過程中，針對某些特別的基因，父本和母本攜帶不同的表觀遺傳修飾，導(dǎo)致受精后在胚胎發(fā)育過程中不同親本來源的兩個等位基因在子代細胞中差異化表達。當印記基因在親代和子代的傳遞過程中發(fā)生障礙時，這些基因就會發(fā)生表達失調(diào)，最終導(dǎo)致胚胎發(fā)育異常。
在了解到印記基因的原理及其功能后，科學家們大膽設(shè)想：如果能夠人為干預(yù)親代遺傳物質(zhì)上的印記基因，使兩套同樣親本（父本或母本）基因組帶有正常雙親所具有的印記信息，那么是否可以通過同性生殖產(chǎn)生正常后代呢？經(jīng)過不懈的努力，他們成功地實現(xiàn)了這個聽上去有些匪夷所思的設(shè)想。日本科學家通過對兩種印記基因 H19 及Dlk1進行基因編輯，使其表達水平與正常胚胎相近，從而得到了僅有母本基因組的小鼠胚胎。而該實驗也證實了，基因印記是決定胚胎發(fā)育成功與否最主要的關(guān)卡之一。
印記基因不僅在胚胎發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用。在臨床研究中，印記基因的異常表達也是導(dǎo)致很多遺傳疾病的原因之一。
Prader-Willi 綜 合 征（Prader-Willi syndrome, PWS） 和 Angelman 綜合征（Angelman syndrome, AS）是兩種臨床表征差異很大的神經(jīng)遺傳性疾病。Prader-Willi 綜合征患者表現(xiàn)為身材肥胖、矮小，有智力障礙，手足異常，促性腺激素分泌不足。Angelman 綜合征患者表現(xiàn)為智力低下，出現(xiàn)癲癇的情況，語言、運動障礙，面容特征為下頜巨大、張口吐舌（圖3）。雖然兩種疾病的表征差異很大，但是它們都是由同一染色體區(qū)段（15q11-13）缺陷所引起的。不同的是，PWS 是父本染色體 15 號染色體存在缺陷，而 AS 則為母本染色體同一區(qū)段存在缺陷。PWS 和 AS的致病機理之一就是該區(qū)段的 DNA 缺失及 DNA 甲基化異常。例如，在PWS 患者的父本染色體上發(fā)現(xiàn)了母本特有的甲基化印跡，而 AS 患者則相反，從而導(dǎo)致相關(guān)印記基因表達異常。事實上，目前所發(fā)現(xiàn)的印記基因大多與胎兒的生長發(fā)育或其他疾病相關(guān)，并且它們的調(diào)控很多都和DNA 甲基化緊密相連。
圖3 Angelman 綜合征（a）和 Prader-Willi 綜合征（b）的臨床特征
上述例子證明，父母的基因印記確實對生殖發(fā)育至關(guān)重要。然而，在形成下一代卵子和精子的過程中，細胞要從原始生殖細胞（primordial germ cell, PGC，指精子和卵子的前體細胞）經(jīng)過減數(shù)分裂形成單倍體的配子，這時候父母的染色體會隨機分配到配子中。比如，新形成的卵子中的基因印記就會有兩種可能，一種是來源于母親的，而另一種是來源于父親的。這樣有一半的卵子就會載有錯誤的基因印記。精子也會出現(xiàn)相同的問題。那么生物體是如何保證卵子和精子仍然能保持印記的正確和穩(wěn)定呢？這里面的秘密其實在于基因印記經(jīng)歷了一次重建的過程?；蛴∮浽谠忌臣毎纬珊统墒斓倪^程中需要被擦除，而新的基因印記則在卵子和精子的發(fā)育過程中重新建立起來。這樣就能保證精子和卵子中的基因印記總是被正確地建立并遺傳給下一代。
實際上，在基因印記被擦除的同時，整個基因組的 DNA 甲基化也幾乎被除掉了。哺乳動物胚胎發(fā)育周期中會發(fā)生兩次全基因組范圍內(nèi) DNA甲基化的去除與建立。其中一次是原始生殖細胞形成的過程中，全基因組甲基化被基本去除（僅剩余 7%～14%）。
甲基化重編程的過程對哺乳動物的發(fā)育十分重要。當科學家們將去甲基化酶 TET 敲除后，基因印記將無法正常去除，導(dǎo)致后代發(fā)育出現(xiàn)多種發(fā)育缺陷或致死的情況。另一次全基因組的去甲基化是從精子與卵細胞結(jié)合形成受精卵開始，一直持續(xù)到胚胎在子宮著床前后，但印記基因甲基化狀態(tài)此時基本保持不變。
綜上所述，印記基因在不同世代中經(jīng)歷了往復(fù)循環(huán)（圖4），在配子形成過程中形成親本特異的印記。受精后，胚胎維持配子攜帶的親本印記至囊胚及其分化形成的各類體細胞中。在原始生殖細胞發(fā)育階段，親本的印記信息被擦除，而在后續(xù)配子發(fā)育成熟過程中，性別特異的印記信息被重新建立并進入下一個循環(huán)。該循環(huán)過程對于哺乳動物發(fā)育至關(guān)重要。
圖4 印記基因世代傳遞
印記基因在世代傳遞過程中呈現(xiàn)動態(tài)變化，包括在配子形成過程中形成親本特異印記的階段、在體細胞中維持并發(fā)揮作用的階段，以及在生殖細胞發(fā)育過程中印記被擦除后重新建立的階段。受精后，胚胎維持配子攜帶的親本印記至囊胚及其分化發(fā)育的各類體細胞中，且正常發(fā)揮功能。在原始生殖細胞發(fā)育階段，親本的印記信息被擦除，而在后續(xù)配子發(fā)育成熟過程中，性別特異印記信息被重新建立并進入下一個循環(huán)。
父親的生活習慣也會影響胎兒嗎？
表觀遺傳信息的代際間傳遞不光可以通過 DNA 甲基化的方式，還可以通過一些非編碼 RNA。有趣的是，近年來的研究表明，不光是母親的生活習慣對胎兒有影響，父親的生活習慣也會影響到下一代。
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比如，在小鼠實驗中，如果給雄鼠喂食高脂肪食物，其下一代會出現(xiàn)代謝功能異常的現(xiàn)象。進一步研究發(fā)現(xiàn)，高脂肪飲食會使得父親精子中的 tsRNA（tRNA-derived small RNAs，一類特殊的 RNA）發(fā)生表達和修飾上的改變，而當這些發(fā)生變化的 tsRNA 進入受精卵后，子代小鼠代謝將出現(xiàn)紊亂，并且許多與代謝相關(guān)的基因表達量顯著減少（圖 5）。另一項同時期的研究發(fā)現(xiàn)，父親低蛋白的飲食會影響附睪中成熟精子攜帶的 tRNA（轉(zhuǎn)運 RNA）片段，這些 tRNA 片段會抑制部分胚胎基因表達，從而影響細胞的全能性。這兩項研究都揭示了親代不健康的飲食習慣可能通過表觀遺傳機制對后代產(chǎn)生不良影響。
圖5 高脂肪飲食通過改變父親的 tsRNA 影響子代的代謝功能
圖中分別使用正常飲食和高脂肪飲食雄性小鼠的精子與正常雌性小鼠卵細胞受精，子代特征顯示高脂肪飲食的后代呈現(xiàn)出代謝功能異常。HFD 為 high-fat diet，高脂肪飲食，含有 60%脂肪；ND 指 normal diet，正常飲食，只含有 10% 脂肪。
綜上所述，一些表觀遺傳信息能夠由親本遺傳至下一代，并且對子代的存活、發(fā)育具有非常重要的影響；而其他一些親本表觀遺傳信息在世代傳遞過程中則需要被消除，隨后重建子代表觀遺傳信息。
正是這種精密的表觀遺傳和重編程，給予了我們和父母一脈相承卻又各具特色的人生起點，造就了繽紛斑斕的新生命。
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