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10242013-Nature-Supplement-Transcriptionand epigenetics-Review IV Title: The nexus ofchromatin regulation and intermediary metabolism 题目：染色质调节作用网络及中间代谢作用 Abstract Living organisms and individual cells continuously adaptto changes in their environment. Those changes are particularly sensitive tofluctuations in the availability of energy substrates. The cellulartranscriptional machinery and its chromatin-associated proteins integrate environmentalinputs to mediate homeostatic responses through gene regulation. Numerousconnections between products of intermediary metabolism and chromatin proteinshave recently been identified. Chromatin modifications that occur in responseto metabolic signals are dynamic or stable and might even be inheritedtransgenerationally. These emerging concepts have biological relevance to tissuehomeostasis, disease and ageing. 摘要 活着的生物体和单个细胞都要不断地适应环境的变化。那些变化特别对于能量物质可用性的变动敏感。细胞性转录机制及其染色质相关蛋白通过基因调节作用将环境输入信号整合成为对体内平衡应答的调节。在中间代谢作用产物和染色质蛋白之间的大量联系最近被确认出来。在回应代谢性信号发生的染色质修饰作用是动态的或是稳定的，甚至可能是隔代遗传的。这些新兴的概念对于组织体内平衡、疾病和老龄化都具有生物相关性意义。 （正文） 细胞性表型的可塑性—一个细胞可以适应环境变化的程度—是其维持功能和存活的最终决定因素。细胞的可塑性依赖于转录程序之间的精确协调作用，这些转录程序可以使细胞面对变化的环境找到适应的方法。一系列复杂的细胞性调节机制确定了在特定的细胞环境中哪些基因可以被转录因子激活。将DNA和组蛋白包装进染色质是基因调节作用的一个重要方面，它使转录复合物接触DNA的过程受到调节并且使组蛋白参与调节进程。染色质上最小的结构单位是核小体，它由147个DNA核苷酸以及包裹着这些核苷酸的核心组蛋白八聚体组成（4种组蛋白H2A、H2B、H3和H4，每种两个）。组蛋白的转录后修饰作用（PTMs）以及DNA自身的修饰作用的甲基化形式可以改变染色质的结构从而协助转录因子以及其他基因调节性蛋白征募到DNA上。这样，染色质相关的修饰作用调节转录复合物与DNA之间的相互作用，从而影响转录的网络，最终调节基因的表达。重要的是，染色质的修饰作用可以是非常动态的，也可以是通过有丝分裂或减数分裂过程以“转录性记忆”而保持下来的非常稳定的形式。 令人惊讶的是，几乎所有的染色质修饰酶都会利用核心途径中间代谢作用的重要代谢产物作为共同因子或底物。这些代谢产物包括乙酰辅酶A、尿苷二磷酸葡萄糖、α-酮戊二酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），ATP或S-腺苷甲硫氨酸（SAM）（图1）。因为这些代谢物其中几种的细胞内浓度作为细胞代谢状态的指标进行变动，染色质调节物的活性可能也会作为代谢状态的指标变化，因此可以对体内平衡的转录性回应进行传导。最近几年积累了大量令人信服的证据支持这一假设。 在此，我们对这个新的模型进行回顾—染色质相关酶感受中间代谢产物并将这一信息传送到动态的染色质翻译后修饰作用中去。这些染色质修饰作用反过来协助维持体内平衡或适应性转录应答。在其他情况下，感知代谢信号还可以驱动控制基础性细胞命运决定的基因网络的活性，这些基础性细胞命运包括干细胞的万能性以及癌症的转化。还有我们会讨论令人激动的方面即在能量代谢中的扰动可能会引起稳定的表观遗传性变化，这些变化在生殖谱系中得到维持，并可能对下一代的健康产生影响。常见的表观遗传学最严格的定义是在基因功能中有丝分裂性或减数分裂性的遗传性变化，这些变化不依赖于任何DNA序列的改变。一个更新的而且更广泛的表观遗传学的定义是“对改变的活性状态进行记录、信号传递或使之永久化的一种染色体区域结构性的适应过程”。本综述中我们更着重于传统的表观遗传学定义。  Figure 1: DNAmethylation and post-translational modifications of histones link metabolitesand transcription. Changesin nutrition or fluctuations in metabolism induce homeostatic transcriptionalresponses. Several intermediary metabolism products change enzymatic activityof chromatin-associated proteins in a dose-dependent manner. 'Writer' enzymesthat attach marks covalently to chromatin or DNA and 'erasers' that removethese modifications act as metabolic sensors. Chromatin modifications remodelDNA–histone interactions and help to regulate the recruitment oftranscriptional complexes to genes that control cellular function and survival.DNMT, DNA methyltransferases; FAD, flavin adenine dinucleotide; HDACs, histonedeacetylases; HMTs, histone methyltransferases; KATs, lysineacetyltransferases; KDMs, lysine demethylases; O-GlcNAc, O-linked N-acetylglucosamine;OGT, O-GlcNAc transferase; OGA, O-GlcNAcase; β-OHB, β-hydroxybutyrate; SAM, S-adenosylmethionine;TET, ten-eleven translocation protein. 图1 DNA的甲基化作用和组蛋白翻译后修饰作用将转录与代谢联系起来 在代谢作用中营养物质的改变或变化会诱导体内平衡转录的应答。几种中间代谢产物会以剂量依赖的形式改变染色质相关蛋白的酶促活性。“作者”类的酶会将标记物共价性地结合在染色质或DNA上，而“清除者”类的酶会以代谢性感受器的身份将这些修饰作用移出。染色质修饰作用会重建DNA与组蛋白之间的相互作用，并协助调节转录复合物征募到控制细胞功能和存活的基因上。DNMT，DNA 甲基转移酶；FAD，黄素腺嘌呤二核苷酸；HDACs，组蛋白去乙酰化酶；HMTs，足蛋白甲基转移酶；KATs，赖氨酸乙酰转移酶；KDMs，赖氨酸去甲基化酶；O-GlcNac，O-位N-乙酰葡萄糖胺；OGT，O-位N-乙酰葡萄糖胺转移酶；OGA，O-位-N-乙酰葡萄糖胺酶；β-OHB，β-羟基丁酸；SAM，S-腺苷甲硫氨酸；TET，10-11易位蛋白。 与中间代谢作用的转录性联系 DNA和组蛋白修饰作用在胚胎发育阶段以及在成熟机体分化后的组织中对于基因转录作用的控制具有主要影响。特别是组蛋白的PTMs在对细胞内信号回应时以一种动态机制快速地改变DNA和染色质的相互作用从而调节基因的调节作用。翻译后修饰作用（PTMs）是在一种蛋白中氨基酸残基上共价可逆的化学修饰作用，这种作用可以改变蛋白的功能、稳定性、细胞内的定位、或者与其他蛋白之间的相互作用。PTMs中研究得最详细的是丝氨酸或苏氨素残基的磷酸化作用以及赖氨酸残基的泛素化和乙酰化作用。对于乙酰化作用，最近出现的情况是这种作用使中间代谢酶的翻译后修饰作用成为可以迅速适应细胞能量状态中代谢通量变化的关键性调节机制。本综述集中于代谢产物影响组蛋白PTMs状态这样一个概念，这种影响进而动态性地将转录性程序适应于代谢性底物的可用性上。 组蛋白的翻译后修饰作用（PTMs） 组蛋白的PTMs通常发生在从其表面伸出的“尾部”的末端氨基上，但也会发生在组蛋白球形区域内。甲基化占据赖氨酸或精氨酸残基，乙酰化占据赖氨酸残基，而磷酸化则发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，苏氨酸常在组蛋白球形区域中出现。组蛋白标记物在基因中及其调节性区域中的分布情况是在基因的上游区域、核心启动子和编码序列的5’和3’区域中的密度最大。 特异性染色质标记物，如组蛋白3赖氨酸27（H3K27）的甲基化作用通常与基因转录的抑制相关。其他的修饰作用，如组蛋白的乙酰化或组蛋白3赖氨酸4的三甲基化（H3K4me3）则通常与活性转录相关。然而，特异性修饰作用的结果通常更复杂，而且取决于与给定基因位点相关的所有修饰作用的环境背景。这种表观遗传性信息组合式的读出被称之为染色质语言或组蛋白密码。为了延续这种语言类比的说法，通常将可以对组蛋白或DNA添加一种特异修饰作用的基因调节性酶称之为“作者”；能够识别特异性PTMs的蛋白被称之为“读者”；而能够移出修饰作用的酶则被称为“擦除器”。 组蛋白的修饰作用可以通过改变染色质纤维的生物物理性质来调节转录作用。比如，乙酰化作用被认为使不同的染色质纤维之间的相互作用减少，使染色质浓缩，增加DNA进入到转录性机制中的可行性。组蛋白的修饰作用是可逆的并通过生物性进程紧密调节。对于每一个PTM来说，选择性酶产生独特的标记物。组蛋白的修饰作用还可能促进选择性读者的征募，这种征募可以识别单个的或组合形式的组蛋白修饰作用。染色质标记物有序地形成会反过来协助征募那些调节DNA相关活动如转录、复制以及修复等活动的蛋白。 正如前面介绍过的那样，组蛋白修饰酶会利用中间代谢产物作为其底物或共同因子。比如通过赖氨酸乙酰化酶（KATs）的组蛋白乙酰化作用取决于细胞内乙酰辅酶A的水平，通常由于其高能状态而称之为“活性乙酸”。其逆反应，将乙酰基团从组蛋白上去除的反应通过组蛋白去乙酰化酶（HDACs）来调节。而第III类组蛋白去乙酰化酶sirtuin蛋白则使用能量携带者NAD+作为共同因子。组蛋白甲基化转移酶（HMTs）和组蛋白去甲基化酶的酶促活性都需要代谢产物的存在。HMTs使用甲基供体SAM。第一个被发现的组蛋白去甲基化酶LSD1则以黄素依赖方式的氧化反应将甲基基团从组蛋白中移出，而Jumonji类（JMJ）的组蛋白去甲基化酶则依靠Fe(II)和α-酮戊二酸来维持其酶促活性。 通过氧连接的N-乙酰葡萄糖胺（O-GlcNAc）在丝氨酸和苏氨酸上的修饰作用是最近才发现的修饰作用。在线虫、果蝇、小鼠和人体中，添加和去除O-GlcNAc分别由两种酶催化完成，O-GlcNAc转移酶（OGT）和O-GlcNAcase（OGA）。因为UDP-葡萄糖（O-GlcNAc糖基化底物）是己糖胺途径（葡萄糖代谢中一个分支代谢）的产物，直接反映了周围环境的葡萄糖水平，这种修饰作用可能以一种独特的染色质修饰作用与中间代谢联系起来。所有4种核心组蛋白都可以在能够被磷酸化的位点被OGT进行糖基化修饰。此外，染色质中诸如果蝇中多梳（Polycomb）和三腔（Trithorax）基团复合物成员这些非组蛋白的蛋白质也可以通过O-GlcNAc糖基化作用被修饰。 虽然本综述主要集中在染色质，我们还是要注意到染色质修饰作用酶也可以修饰非组蛋白的蛋白质。比如NAD+依赖性去乙酰化酶SIRT1不仅能对组蛋白进行去乙酰化作用，而且可以针对非组蛋白的蛋白质进行作用，包括那些对细胞能量代谢非常重要的蛋白质如转录共激活因子PGC-1α。组蛋白和非组蛋白的蛋白质修饰作用因此似乎由代谢物浓度的变化而受到影响，两种修饰作用可能对于酶的生物学活性都很重要。 DNA甲基化作用 在CpG二核苷酸上对胞嘧啶（5号碳位置）进行甲基化作用是脊椎动物最普遍的表观遗传性修饰作用。DNA的甲基化作用通过直接抑制转录因子的结合以及间接性通过征募带有抑制性质的染色质相关蛋白而影响基因的活性。DNA甲基化作用对于细胞谱系的限制以及遗传性印记起作用，如在发育过程中的雌性哺乳动物中沉默X染色体。DNA的甲基化作用通过两种类型的方式完成，一种是维持性甲基转移酶（比如DNMT1），这种酶在复制过程中将甲基基团添加到半甲基化的DNA上；另一种是通过从头开始（denovo）的甲基转移酶（DNMT3a和DNMT3b）完成，这种酶在完成复制后具有活性。DNA甲基化的去除由TET蛋白调节，它们将5-甲基胞嘧啶转化成5-羟甲基胞嘧啶、5-甲酰基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶。这些修饰作用可能会在DNA复制过程中被去除，或者通过反复氧化作用和碱基切除修复被去除。有关TET蛋白进行DNA去甲基化作用机制及其生物学作用的内容请参见本期另一篇综述。 虽然DNA甲基化作用被认为相对稳定，但在成熟机体组织中也有动态变化的发生，至少在回应代谢性刺激时这些适应性作用的一部分会发生。有趣的是，在患有II型糖尿病患者的骨骼肌中，编码PGC-1α的基因丙酮酸脱氢酶激酶4（PDK4）以及线粒体性转录因子A（TFAM）在它们的启动子序列中显示出过度甲基化的DNA序列，而一次剧烈的身体锻炼会导致这些位点DNA甲基化作用的减少。最近更多的数据说明PGC-1α及其他代谢性基因甲基化作用的正常化会在胃旁路手术后发生，胃旁路手术（gastric bypass surgery）是对于肥胖人群来说一种有效的干预手段。因此，虽然在有丝分裂后的组织中控制甲基化作用动态变化的机制还不清楚，但这种表观遗传性修饰作用可能对体内平衡性转录适应过程起作用。 DNA的甲基化通过SAM作为甲基供体底物而与中间代谢联系起来。SAM是通过被称为一碳代谢的循环途径从甲硫氨酸和ATP中产生的。当SAM中的一个甲基基团转移到大分子（DNA或组蛋白）上时，产物S-腺苷高半胱氨酸（SAH）就会重新循环形成SAM。四氢叶酸（tetrahydrofolate）是一种叶酸（维生素B9）的衍生物，它可以作为甲基的供体与甘氨酸结合产生甲硫氨酸，甲硫氨酸是SAM的前体。一碳代谢对于叶酸及其他微量营养素的依赖性说明在营养物质与DNA甲基化作用之间存在直接的联系。在人体中这些营养物质是否能赋予甲基化作用相关的效应还在争论之中，但是多种实验模型的结果已经指明这一方向（稍后讨论）。通过TET蛋白去除5-甲基胞嘧啶的作用依赖于Fe(II)和α-酮戊二酸，α-酮戊二酸是三羧酸循环（TCA cycle）和氨基酸谷氨酰胺分解代谢的中间产物。还不清楚TET酶是否能感知α-酮戊二酸的水平。然而，另外两种三羧酸循环的中间产物延胡索酸（fumarate）和琥珀酸（succinate）会抑制TET，说明这些代谢产物的相对浓度可能会调解TET的酶促活性。 染色质对代谢物的感知 通过表观遗传性机制由中间代谢物对基因转录作用产生影响的观点是几年前产生的。虽然在染色质调节物与其代谢性底物之间存在明显的联系，这个很吸引人的概念的生物相关性直到最近才开始出现相关的研究报道。特别是还不清楚染色质修饰作用酶的共同因子是否确实是限速因素，也不清楚其局部浓度的变动是否具有足够的动态性而对其相关的酶的酶促活性具有影响作用。这一争论的焦点是染色质调节物的功能是否更像代谢性酶，代谢性酶的活性依赖于相关的底物和产物的多少；还是更像蛋白激酶，蛋白激酶的活性相对不依赖于ATP水平的生理性变动。虽然还需要进一步的研究，但最近的发现说明染色质调节作用蛋白确实会感知到细胞内共同因子的水平。稍后将会讨论到这种现象在乙酰化作用中有特别详细的研究。 组蛋白乙酰化作用将代谢和转录联系起来 在真核生物中，乙酰辅酶A是乙酰化作用的普遍性供体，它是当消化的营养物质进入到中间代谢的分解代谢途径时产生的（图2）。在节食期间，当储存的糖原被消耗光以后，机体转化为脂肪酸的氧化作用，产生的乙酰辅酶A为三羧酸循环提供能量，从而完成氧化磷酸化作用和ATP的合成。相反，在进食期间，糖酵解是乙酰辅酶A产生的主要途径并可以很快地满足细胞的基本能量需求。结果，多余的乙酰辅酶A从线粒体中以柠檬酸的形式被运出到细胞质中。在细胞质中柠檬酸通过ATP-柠檬酸裂解酶重新被转化成乙酰辅酶A，并作为碳源供体服务于合成代谢反应，包括脂类的生成以及胆固醇和氨基酸的合成。因此，分解代谢或合成代谢性通量会导致游离的乙酰辅酶A水平的改变，这种现象可以在小鼠生理性的进食—节食转换过程中观察到。事实确实如此，节食作用与上百种蛋白质赖氨酸乙酰化水平显著性增加相关。一个有趣的问题是在不同的代谢状态下乙酰辅酶A的水平是否可以直接作为一种调节转录性程序的信号起作用。 在酵母中的标志性研究结果表明细胞质中和细胞核中乙酰辅酶A的水平确实是组蛋白乙酰化作用的一个重要决定因素。单细胞生物如酵母是根据环境中营养物质的丰度情况来决定是否生长和分裂的。当碳源稀少时，酵母避免进入细胞分裂阶段来把底物留给重要的基础进程。在重新获得能量源时，细胞很容易变回到协调性的增殖和生长相关基因簇的表达状态。研究营养物质摄取和细胞分裂分子机制之间关系的一个精细的系统就是酵母的代谢性循环过程。当酵母暴露在有限的营养源中时，它们需要4到5个小时高度氧化还原代谢循环然后才能进行分裂。通过三种不同代谢阶段循环的目的是积累足够的用于建造新细胞的基础性材料（氧化性阶段）在足够材料要求执行分裂（还原性、建设性阶段，然后是一个静止的还原性准备阶段）之前。重要的是，乙酰辅酶A的水平变化很大，在氧化性阶段和还原性阶段之间大约是10倍，而乙酰辅酶A的浓度变化在一定程度上似乎影响了几种KATs的酶促活性。与酵母代谢性循环周期摆动相同步，基因簇阶段依赖性的表达开始启动，这类表达要么促进生长（氧化性生长），要么抑制生长（还原性生长）。令人惊讶的是，在氧化性期间末期生长阶段基因的表达依赖于乙酰辅酶A的水平。如果给酵母提供各种碳源，包括葡萄糖、乳糖、乙醇或醋酸则会缩短酵母代谢的周期。为了在没有乙酰辅酶A直接性来源葡萄糖或乳糖的条件下产生乙酰辅酶A，乙醇会被转化成乙酸，然后乙酸可以通过乙酰辅酶A合成酶最终形成乙酰辅酶A。来自这些前体的乙酰辅酶A水平的增加与组蛋白过度的甲基化以及与生长相关的基因网络表达的增加具有相关性，这些与生长相关的基因包括那些编码核糖体RNA和蛋白质翻译机制的基因以及那些与氨基酸合成相关的基因。KAT复合物SAGA（亦称Gcn5）的缺失会破坏H3和H4组蛋白上的大量过度乙酰化作用，也会破坏与生长相关的基因的表达。结论是在酵母中的这项精细的研究说明乙酰辅酶A是组蛋白乙酰化和转录控制的驱动性因素。  Figure 2: Metabolicpathways of intermediary metabolism signal to chromatin. Metabolitesthat regulate chromatin participate in major biochemical pathways involved inintracellular energy balance. The tricarboxylic acid (TCA) cycle is the centralhub that links catabolic and anabolic pathways. Glycolysis and β-oxidation arecatabolic reactions that generate acetyl-CoA, whereas removal of acetyl-CoAduring glucose excess from the mitochondria by the citrate shuttle fuelslipogenesis and biosynthesis of various other macromolecules and together withKAT leads to histone acetylation (shown in yellow). The hexosamine biosyntheticpathway is an alternative route of glucose utilization that generates theco-enzyme UDP–GlcNAc, which together with OGT leads to histone O-GlcNAcylation(shown in green). Folate (vitamin B9) is a micronutrient that enters one-carbonmetabolism, a cyclic reaction generating SAM, as a methyl donor for DNA andhistone methylation (shown in orange). Mitochondrial NAD+:NADHratios are connected with the nuclear cytosolic compartment by themalate–aspartate shuttle. Metabolic regulators of chromatin-modifying enzymesare shown in red. ACL, ATP-citrate lyase; FAD, flavin adenine dinucleotide;GlcNAc, N-acetylglucosamine; HDAC, histone deacetylase; HMT, histonemethyltransferase; IDH, isocitrate dehydrogenase; KAT, lysineacetyltransferase; KDM, lysine demethylase; MDH, malate dehydrogenase; OAADR,O-acetyl ADP-ribose; OGT, O-linked N-acetylglucosamine transferase; SAH,S-adenosylhomocysteine; SAM, S-adenosylmethionine; UDP, uridinediphosphate. 图2 中间代谢向染色质传递信号的代谢性途径 对染色质具有调节作用的代谢物参与那些涉及到细胞内能量平衡的主要生化途径。三羧酸循环是联系分解代谢和合成代谢的一个中心性结点。糖酵解和β-氧化反应是能够产生乙酰辅酶A的分解性代谢反应，而当葡萄糖过量时通过柠檬酸的运输将乙酰辅酶A从线粒体中移出并对脂类生成和其他各种大分子的生物合成补充能量，并与KAT一起使组蛋白发生乙酰化（图中以黄色标注）。己糖胺生物合成途径是另一条葡萄糖利用途径，它可以产生辅酶UDP-GlcNac，这一产物与OGT一起使组蛋白发生O-(连接)-N-乙酰葡萄糖胺糖基化作用（图中以绿色标注）。叶酸是一种进入一碳代谢的微量营养物质，通过一碳循环反应它可以产生SAM，而SAM可以作为甲基的供体为DNA和组蛋白的甲基化作用提供甲基（图中以桔黄色标注）。线粒体中NAD+：NADH的比例通过苹果酸-天冬氨酸的运输与细胞核质中的组分相连。染色质修饰性酶的代谢性调节物在图中以红色标注。ACL，ATP-柠檬酸裂解酶；FAD，黄素腺嘌呤二核苷酸；GlcNAc，N-乙酰基葡萄糖胺；HDAC，组蛋白去乙酰化酶；HMT，组蛋白甲基转移酶；IDH，异柠檬酸脱氢酶；KAT，赖氨酸乙酰转移酶；KDM，赖氨酸去甲基化酶；MDH，苹果酸脱氢酶；OAADR，O-乙酰化-ADP-核糖；OGT，O-连接-N-乙酰化葡萄糖胺转移酶；SAH，S-腺苷高半胱氨酸；SAM，S-腺苷甲硫氨酸；UDP，尿苷二磷酸。 与此相似的是，在哺乳动物细胞培养中发现的结果说明组蛋白乙酰化作用还依赖于细胞内乙酰辅酶A的多少。用高浓度葡萄糖来喂养细胞会导致糖酵解的增加、丙酮酸的产生以及线粒体中乙酰辅酶A的增加。删除ATP-柠檬酸裂解酶会抑制柠檬酸向细胞核或细胞质乙酰辅酶A的转化从而减少组蛋白的乙酰化。虽然删除AceCS1，Acs2p的哺乳动物同源物，并没有影响组蛋白的乙酰化，在培养基中的高浓度乙酸（5mM）可以取代ATP-柠檬酸裂解酶的缺失。这些结果说明组蛋白乙酰化主要依赖于由葡萄糖衍生的细胞质中乙酰辅酶A的多少。在高能量条件下组蛋白的乙酰化作用会诱导产生一种可以进行转录的染色质构型，这样促进前馈控制机制（feedforward control），使调节细胞性增殖、脂类合成以及脂肪细胞分化的基因进行选择性表达（图3a）。与原核生物不同，多细胞真核生物已经进化出许多额外的调节性步骤来用于细胞的生长，如生长因子信号传导和细胞周期检验点，它们可能会不理会由于乙酰辅酶A浓度变化诱导产生的变动。然而这些在酵母和哺乳动物细胞中重要的发现说明乙酰辅酶A、KATs以及HDACs可能以一个整合性的网络来实施作用，将乙酰辅酶A的增加与能量储存和增殖的下游途径联系起来。  Figure 3: Distinctmodes of chromatin-mediated transcriptional control by intermediary metabolismproducts. a, Fasting leads to highacetyl-CoA levels in mitochondria and low levels in the nucleus. By contrast,during feeding or under high glucose conditions, acetyl-CoA from glycolysis isexported to the nuclear–cytosolic compartment. In the nucleus, increasedacetyl-CoA activates KATs, which acetylate histones, thereby creating apermissive state for transcription of genes involved in glucose uptake (Glut4)and glycolysis (HkII, Ldha and PfkI). In this feed-forwardloop acetyl-CoA transmits the signal of increased nutrient supply to atranscriptional program that accelerates the uptake and catabolism of glucoseto acetyl-CoA as a building block for macromolecule synthesis. b, When cells transition from ahigh-energy environment to glucose depletion, NAD+:NADH ratio rises.Activated SIRT1 deacetylates H3K9. In addition, the histone methyltransferaseSUV39H1 transfers a methyl group to the liberated lysine residue, therebylocking chromatin in a silent state. This epigenetic switch preserves energy bysuppressing the transcription of ribosomal RNA, a highly energy consumingprocess. c,A model for how two molecular sensors of intracellular energy levels mightcompete for unique histone marks of histone H2B. AMPK, which senses low energylevels, phosphorylates serine 36 (Ser36) of H2B, whereas OGT O-GlcNAcylatesSer36 of H2B when high glucose levels generate UDP–GlcNAc in the hexosaminebiosynthetic pathway. Ac, acetylation; Me, methylation; P, phosphorylation;O-GlcNAc, O-linked N-acetylglucosamine; OGT, O-GlcNAc transferase; UDP,uridine diphosphate. 图3 由中间代谢产物控制的染色质介导转录作用的不同模式 a，节食导致线粒体中乙酰辅酶A水平升高，细胞核中乙酰辅酶A减少。相反，进食阶段或在高葡萄糖条件下，由糖酵解产生的乙酰辅酶A会外运到细胞核和细胞质中。在细胞核里，增加的乙酰辅酶A会激活KATs，KATs使组蛋白乙酰化，这样产生一种对于涉及葡萄糖摄取（Glut4）和糖酵解（Hkll，Ldha和Pfkl）基因的一种转录许可状态。在这个前馈循环中，乙酰辅酶A将营养物质增加的信号传递到转录程序上，而这些转录程序可以加速葡萄糖摄取和分解代谢来产生乙酰辅酶A并将其作为大分子合成的基础性材料。 b，当细胞从高能环境转换到葡萄糖缺失的状态时，NAD+：NADH的比例上升。被激活的SIRT1会使H3K9发生去乙酰化。此外，组蛋白甲基转移酶SUV39H1会将甲基基团转移到游离的赖氨酸残基上，这样将染色质闭锁在一种沉默的状态。这种表观遗传性转变通过抑制核糖体RNA的转录来保存能量，核糖体RNA的转录是一种能量高度消耗的过程。 c，两种对细胞内能量水平的分子感受器如何对组蛋白H2B唯一的组蛋白标记进行竞争的模型。AMPK可以感受低能量水平，对H2B的Ser36进行磷酸化；而当高葡萄糖水平在己糖胺生物合成途径中产生UDP-GlcNAc后，OGT会对H2B的Ser36进行O-连接-N-乙酰葡萄糖胺糖基化作用。Ac，乙酰化作用；Me，甲基化作用；P，磷酸化作用；O-GlcNAc，O-连接-N-乙酰葡萄糖胺；OGT，O- O-连接-N-乙酰葡萄糖胺转移酶；UDP，尿苷二磷酸。 Sirtuins作为能感知NAD+的HDACs 由于乙酰辅酶A的水平在进食期间调节组蛋白的乙酰化作用，因此并不惊讶去乙酰化反应，这一逆反应也会与细胞内能量水平相关。在所有的HDACs中sirtuins最有可能是代谢的感受器。热量的限制在代谢、运动以及认知等各方面所带来的益处被认为取决于SIRT1对于能量携带者NAD+的感知。然而存在的问题是NAD+的水平是否在如节食以及重新进食或热量限制的代谢条件范围内会发生变动。各种不同实验模型已经证实NAD+水平的变化如何影响sirtuins的酶促水平，包括染色质水平微小区域上的变动。NAD+的水平大体上以一种昼夜节律的方式变动，通过涉及到SIRT1的表观遗传性机制将外周时钟与代谢的转录调节机制联系起来。昼夜节律时钟机制的核心基因BMAL1和CLOCK直接调节烟酰胺磷酸核糖转移酶（NAMPT）的表达，这个酶在小鼠体内是NAD+补救途径中的限速酶。SIRT1蛋白的丰度相对稳定，但其去乙酰化酶的活性取决于能产生NAD+的NAMPT的存在，而SIRT1的酶促活性的变动与NAD+的昼夜节律性产生具有相关性。值得注意的是，在Clock基因敲除小鼠中NAMPT的昼夜节律性被破坏。当使用特异性抑制剂FK866来阻断NAMPT的活性时，NAD+水平的节律性变动变得迟缓，而且Sirt1的周期性活性失去。SIRT1的目标包括在昼夜节律控制下变动的多个基因位点上H3的K9和K14。因此，NAD+的水平似乎通过以节律性方式实施HDAC功能的SIRT1直接调节组蛋白的乙酰化作用，说明NAD+确实是组蛋白去乙酰化作用的重要决定因素。 SIRT1还对感知低能量水平的另一个体内平衡回路具有调节作用。在真核生物中核糖体的生物合成是一个能量高度消耗的进程，特别是在增殖性的组织中，而其生产的速率为在底物可用性受到限制的条件下保持细胞性功能而与细胞的能量水平紧密相连。一种含有核甲木质（nucleomethylin）、异源染色质甲基转移酶SUV39H1和SIRT1的蛋白复合物是这一进程的关键调节物。葡萄糖饥饿导致NAD+：NADH的比例增加、SIRT1的激活以及rDNA位点组蛋白H3K9的去二甲基化作用。伴随发生的结构性染色质转变从松散的常染色质到浓缩的异源染色质的转变抑制了核糖体的生物合成从而保护细胞不至于能量耗尽（图3b）。 SIRT6也存在于细胞核中，使用NF-kB信号传导途径通过调节端粒的稳定性以及炎症反应与老龄化过程有关。组蛋白H3K9的去乙酰化作用似乎是将SIRT6的活性与这些老龄化途径联系起来的染色质修饰作用。缺失SIRT6会导致早衰，而获得性功能会将雄性小鼠的寿命增加15%。 NAD+水平的变动是否对sirtuins活性改变起作用还在争论之中，特别是经典研究结果显示细胞内NAD+的水平即使在包括饥饿这样改变性代谢的条件下仍然会保持不变。然而后面要讨论到，对于整个细胞或整个组织的浓度测定可能会掩盖局部特异性的NAD+的不同，比如，线粒体与细胞核相比较。重要的是，最近的实验表明通过肾上腺受体信号传导途径（通过cAMP-PKA激活作用）被磷酸化的SIRT1与没有被磷酸化的SIRT1相比，可以被更低浓度的NAD+激活。此外，烟酰胺核糖（nicotinamideriboside）是NAD+的前体，营养物质中补充有烟酰胺核糖会导致小鼠细胞内NAD+浓度的升高、Sirt1的激活以及氧化性代谢活动的提高。最近一项研究确认出与SIRT1酶催化区域相邻的一个阳性别构位点是酶被红葡萄酒组分白藜芦醇（resveratrol）激活所必需的。一个非常有趣的可能是白藜芦醇模拟SIRT1内源性别构代谢物。非常清楚的是，需要更多的工作才能获得对sirtuin调节作用以及NAD+变动的相对作用还有其他调节性机制的全面理解。 其他联系 腺苷单磷酸激活的蛋白激酶（AMPK）是能够感知AMP：ATP比例变化的非典型性激酶，它们可以将这些变化传递给一些关键调节物的翻译后磷酸化反应，这些关键调节物调节着整个身体和细胞的能量水平、细胞的应激反应以及细胞周期的控制。令人惊讶的是，AMPK对组蛋白H2B上的Ser36进行磷酸化，这样对涉及到遗传毒性以及细胞代谢性应激反应途径基因的转录作用进行调节（图3c）。很显然，组蛋白H2B同一个残基也可以被OGT进行O-连接-N-乙酰葡萄糖糖基化作用来修饰，说明对于H2B的Ser36可能存在两种修饰作用之间的竞争，虽然这种竞争的生物学相关意义还有待于通过实验来显示。然而这可以是一个由两种细胞能量感受器分别感受低（AMPK）和高（OGT）能量水平来对染色质标记物进行互补性调节作用的一个鲜活的例子。 生物系统中的代谢性影响 独特的代谢产物也可以影响转录程序，控制干细胞生物学、癌症以及老龄化过程。 万能性（pluripotency）对甲基供体的需求 山中伸弥（Yamanaka）及同事发现分化后的细胞可以通过重新程序化作用形成诱导的万能干细胞（iPSCs），这一发现对于退行性疾病的组织取代治疗方法开辟了一个令人激动的方面。重新程序化作用包括对发育阶段获得的表观遗传性全貌进行反转（具体请参见本期由Apostolou 和Hochedlinger所撰写的综述）。体外水平下小鼠胚胎干细胞（ES）形成胚胎性个体的分化作用与它们代谢组中标记性组成的改变相关，这些改变包括与一碳代谢、苏氨酸代谢以及乙酰辅酶A产生相关的代谢物的积累。在培养中撤出苏氨酸或遗传性删除苏氨酸脱氢酶（Tdh）会完全抑制小鼠ES细胞的增殖使它们发生分化，苏氨酸脱氢酶可以将苏氨酸转化为2-氨基-3-酮基丁酸来作为一碳代谢的营养供给分支。这一效应是单独针对苏氨酸，实验中任何其它氨基酸被撤出都不会发生这种效应。万能性细胞特殊的代谢性组成是通过在小鼠ES细胞中标志性的Tdh上调作用下完成的（与小鼠胚胎性成纤维细胞MEF相比上调了200倍以上）。最近有研究将这些结果与H3K4me3的水平联系在一起（图4a）。当MEFs被重新程序化作用形成iPSCs时，它们获得了与小鼠ES细胞相似的代谢物模式，包括为一碳代谢提供大量酶促反应的一条途径。这条途径以苏氨酸开始，通过两步反应形成干氨酸和乙酰辅酶A。甘氨酸为四氢叶酸提供甲基衍生形成5-甲基四氢叶酸，导致SAM水平的增加。一种尚未确认的甲基转移酶导致苏氨酸-SAM途径中通量的增加并特异性地对H3K4实施三甲基化。值得注意的是，甲基化反应产物SAH作为甲基转移酶负反馈调节因子起作用，进一步支持SAM：SAH比例对组蛋白甲基化起调节作用的模型。类似于苏氨酸撤出的效应，在小鼠ES细胞中对Tdh的抑制会导致SAM：SAH比例的下降以及H3K4me2和H3K4me3的减少。生物学作用结果是ES细胞生长受到影响并失去万能性，说明维持与万能性相关的染色质特征需要从苏氨酸到SAM的快速代谢性通量。目前这一调节性系统在人的干细胞中的相关性作用还不清楚。  Figure 4: Metaboliteinfluencers of complex biological systems. a, Epigenetic control ofpluripotency by threonine to S-adenosylmethionine (SAM) flux. Threoninedehydrogenase (Tdh) is about 200-fold enriched in embryonic stem cells comparedwith differentiated cells. Flux through this enzyme routes the amino acidthreonine toward SAM production. After methyl transfer from SAM to amacromolecule, methionine is recovered in the one-carbon metabolism from S-adenosylhomocysteine(SAH) utilizing homocysteine and 5-methyl-tetrahydrofolate (THF). Deficiency ofTdh or depletion of threonine from the culture medium reduces the supply forSAM generation and leads to cellular differentiation as well as loss of stemcell markers. When the SAM:SAH ratio drops, SAH inhibits methyltransferases,leading to a reduction in methylation marks at lysine 4 of histone 3. b,Suppression of oxidative stress by the ketone body β-hydroxybutyrate (β-OHB).Fasting, calorie restriction or exercise elevate production of the ketone bodyβ-OHB in the liver. In peripheral cells, β-OHB can either directly inhibithistone deacetylases (HDACs) or increase nuclear acetyl-CoA levels. HDACinhibition and stimulation of lysine acetyltransferases (KATs) by acetyl-CoA increaseshistone acetylation resulting in a permissive state for transcription ofseveral genes (for example, Foxo3a and Mt2) of the oxidativedamage response. Ahcy, S-adenosylhomocysteine hydrolase; BDH,β-hydroxybutyrate dehydrogenase; Gcat, glycine C-acetyltransferase; Gldc,glycine dehydrogenase (decarboxylating); HMT, histone methytransferase; Mthfr,methylenetetrahydrofolate reductase; Mtr, methyltetrahydrofolate-homocysteinemethyltransferase; Mat2a/b, methionine adenosyltransferase 2a/b; Me3, trimethylatedlysine residue; Sdhl, serine dehydratase. 图4 复杂生物系统中的代谢物影响 a，通过苏氨酸到S-腺苷甲硫氨酸（SAM）通量变化对万能性的表观遗传性控制。与分化后的细胞相比在胚胎干细胞中苏氨酸脱氢酶（Tdh）的含量要高200倍以上。通过这种酶使苏氨酸向SAM的产生变动。SAM的甲基转移到大分子上之后，利用高半胱氨酸和5-甲基四氢叶酸（THF）从S-腺苷高半胱氨酸（SAH）在一碳代谢中使甲硫氨酸得到复原。缺失Tdh或在培养基中去除苏氨酸会减少SAM生产的供应而导致细胞分化以及干细胞标记物的丢失。当SAM：SAH的比例下降时，SAH抑制甲基转移酶，导致组蛋白3的4号赖氨酸甲基化标记减少。 b，由酮体β-羟基丁酸（β-OHB）对氧化应激产生的抑制作用。节食、热量限制或锻炼会增加肝脏中酮体β-羟基丁酸的产生。在外周细胞中，β-OHB可能会直接抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）或增加细胞核中乙酰辅酶A的含量。HDAC的抑制以及通过乙酰辅酶A对赖氨酸乙酰转移酶（KATs）的刺激会增加组蛋白的乙酰化作用导致几种氧化性损伤应激类基因（如Foxo3a和Mt2）处于转录许可的状态。Ahcy，S-腺苷高半胱氨酸水解酶；BDH，β-羟基丁酸脱氢酶；Gcat，甘氨酸C-乙酰转移酶；Gldc，甘氨酸脱氢酶；HMT，组蛋白甲基转移酶；Mthfr，亚甲基四氢叶酸还原酶；Mtr，甲基四氢叶酸-高半胱氨酸甲基转移酶；Mat2a/b，甲硫氨酸腺苷转移酶2a/b；Me3，三甲基化的赖氨酸残基；Sdhl，丝氨酸脱氢酶。 致癌性代谢物和肿瘤抑制因子类代谢物 表观遗传性进程参与许多癌症的发生和发展。过去的十年中对于“癌症表观遗传组”的系统性性质特征的研究已经确定出在基因组中大量改变的染色质标记物的存在，这些染色质标记物的改变与可能对基因表达和基因组稳定性具有调节作用的肿瘤相关。有越来越多的事实说明表观遗传学这一迅速发展的领域与癌症的代谢作用密切相关。几乎所有的增殖性癌细胞都处于一种为其快速繁殖和生长的特异性能量需要而改变的一种代谢状态中，这种代谢状态被称之为瓦伯效应（Warburgeffect）。简单地说，癌细胞从一种线粒体氧化性代谢转变到有氧的糖酵解代谢，后一种代谢状态可以提供包括乙酰辅酶A在内的小分子代谢物作为大分子合成的结构材料，而这些大分子的合成则是快速分裂和生长所必需的。比如，致癌性丙酮酸激酶异构体M2是一种糖酵解性酶，它促进癌细胞中的有氧糖酵解作用。 最新的证据表明代谢物可以通过表观遗传性机制改变肿瘤的性质。在大量的癌症中，主要在胶质母细胞瘤和急性骨髓性白血病中，异柠檬酸脱氢酶异构体1和2（IDH1和IDH2）在酶促口袋中或附近含有多个体细胞性突变的热点。有趣的是两个等位基因中只有一个受到突变的影响，产生野生型和突变型蛋白的异源混合物。有意思的地方在于，突变的形式获得了一种新生形酶促性质并将正常IDH的产物α-酮戊二酸以一种有序的反应转化为2-羟基戊二酸，导致组织中2-羟基戊二酸的浓度急剧增加。2-羟基戊二酸是几种依赖于α-酮戊二酸的双加氧酶的竞争性抑制剂，这几种双加氧酶包括组蛋白去甲基化酶KDM4C和TET羟化酶。因此，通过2-羟基戊二酸对这些羟化酶的抑制可能有助于维持细胞处于一种未分化的状态，这可能会刺激这些细胞向恶性肿瘤细胞的转化。 丁酸是几种HDACs的可能性抑制剂（在HT29结肠癌衍生的细胞株中其最大抑制浓度半值(IC50)为90uM）。丁酸这种短链脂肪酸在结肠腔中从食用纤维中高浓度产出并为结肠细胞（colonocyte）提供主要的能量来源，在结肠细胞中丁酸被迅速氧化形成乙酰辅酶A。富含纤维的食品被认为有助于防止人体中结肠炎和结肠癌的形成。最近的发现支持这样一个模型即丁酸对涉及到结肠细胞增殖的转录性程序具有调节作用。高水平丁酸（5mM）会存在于近侧结肠壁的上皮细胞中，它可以抑制I类和II类HDACs的酶促活性。HDAC活性的缺失会增加H3的赖氨酸乙酰化从而对降低增殖的转录性程序具有调节作用。相反，由于扩散动力学的作用，在结肠隐窝（crypts）中的细胞暴露于比前面低10倍的丁酸环境中（0.5uM）。在这种低浓度下，体外水平对于HDAC的活性影响可以忽略不计。然而同位素示踪通量研究的结果显示由丁酸衍生的乙酰辅酶A被柠檬酸运输出线粒体并对依赖于ATP-柠檬酸解离酶的组蛋白乙酰化反应起作用。这种ATP-柠檬酸解离酶依赖性组蛋白乙酰化作用的目标是另一组不同的基因而不是高丁酸依赖于HDAC的组蛋白乙酰化作用，它包括促进细胞增殖的关键性调节因子。这种浓度依赖性转录控制的假设性目的是刺激结肠隐窝中前体细胞的生长，同时维持结肠壁细胞的沉寂。结肠癌细胞的代谢转变为有氧糖酵解以及限制性β-氧化作用，导致丁酸水平增加到与肠壁高浓度相当的程度。这种直接抑制HDACs的结果激活抗增殖和调亡性基因，可以用来解释曾在报道中所描述的丁酸抗癌症的效应。富含纤维的饮食是否足以将丁酸的水平增加到超出这些短链脂肪酸正常水平而可以通过对HDAC的抑制来解释抗癌症效应的程度还有待于说明。 酮体、氧化应激和老龄化 酮体是节食期间当葡萄糖的供应急剧下降时主要在肝脏中产生代替性能量底物。神经元及其他外周组织都很喜欢吸收和消耗酮体作为生产ATP的碳源。长时间节食、热量限制、剧烈运动以及食用可以产生酮体的食品都可以导致血液中酮体β-羟基丁酸（β-OHB）的浓度从微摩尔增加到毫摩尔（2-6mM）。10年前就有在阿兹海默症和帕金森综合症模型中酮体性饮食对神经元存活具有保护性作用的报道。此外，在热量限制和使用酮体性食物过程中还能见到活性氧（ROS，reactiveoxygen species）的减少，活性氧是线粒体氧化性代谢的副产物。β-OHB在结构上与丁酸相似。更有趣的是，β-OHB也可以作为HDACs的抑制剂（图4b）。通过这种内源性代谢物对HDAC1、HDAC3和HDAC4的抑制会增加组蛋白H3K9和K14的乙酰化，为肾脏中氧化损伤应激的几种关键性组分的表达建立许可性染色质构型。这些关键的组分包括与长寿相关的转录因子Foxo3a以及金属硫蛋白（metallothionein）Mt2。这个例子说明了β-OHB作为循环性葡萄糖缺乏时能量来源的一种代谢物是如何还作为一种信号传导分子对特异性代谢条件（节食或锻炼）相关的特殊转录性程序进行调节的。 由于营养而导致的表观遗传性的永久性变化 DNA和染色质修饰作用对于转录调节的影响可能会有助于将瞬时的代谢状态转变为更稳定的转录状态，这种转录状态可以持久并在很长一段时间内会对表型产生影响。这种假设的一个例子来自于对蜜蜂（Apismellifera）的研究。对于未来的蜂王喂食“蜂王浆”会对成熟形态、行为以及寿命产生基础性影响，还会改变DNA甲基化作用以及基因表达的模式。遗传性完全相同的幼虫如果没有喂食蜂王浆则会发育形成没有生育能力的工蜂。蜂王浆的喂食如何使这些复杂的特征以及基因表达模式发生改变的还是个未知领域。 在脊椎动物发育阶段，DNA和组蛋白的甲基化作用模式变得稳定并在一生中保持不变。在起始固定表观遗传状态中那些要发生改变的基因被称为亚稳态表观性等位基因（metastableepialleles）。这种表观遗传性的改变发生在对于内在性和环境因素的应答中，已经在同卵双生（monozygotic）的双胞胎的有关报道中描述过。虽然在早期阶段的表观遗传组的不同无法区分，但对于DNA甲基化和组蛋白乙酰化的整体内容和基因组的分布在同卵双生的双胞胎中存在大量的不同。在有丝分裂后的成熟组织中获得的染色质修饰作用是如何变得稳定并在很长一段时间内影响转录作用以及获得疾病风险的，对这一点我们知之甚微。葡萄糖受到严格控制而且糖基化HbA1c的水平接近正常的糖尿病患者甚至在起初诊断多年以后还保持大血管并发症以及糖尿病型器官损伤的高风险状态。这种“血糖过多性记忆”的机制还不清楚，但相信持续的慢性炎症反应起一定的作用。人的原代主动脉细胞在对于增加葡萄糖暴露的应答中显示H3K9、H3K14和H3K4me2和H3K4me3发生了变化。有趣的是，从患糖尿病小鼠中分离出来的内皮细胞，或者将普通内皮细胞暴露于高葡萄糖环境中一段时间然后转变为低葡萄糖环境，都会对几种关键炎症反应基因产生长期的激活效应。比如慢性促炎症反应的基因表达与H3K4甲基化的增加以及在NF-kB-p65的启动子上对H3K9me2和H3K9me3标记物的抑制相关。由于在发达国家中心血管疾病仍旧是死亡的第一位原因而肥胖和糖尿病等流行性疾病的增加，多血糖性记忆的意义似乎相对被低估了。可用于捕获表观遗传性改变的体内模式研究亟待开发，这种表观遗传性改变是由于即时性暴露于“表观遗传性毒性”代谢物如葡萄糖等后机体做出应激反应所产生的变化。 表观遗传性特征的遗传 在发育和成熟阶段所积累的染色质全貌的变化在配子发育（gametogenesis）阶段主动地参与重新程序化作用。虽然这是明显的“新生命的新开始”，对于环境因素应答的某些表观遗传性信息会抗拒重新程序化作用从而传递到下一代。 最近在线虫中报道了第一例长寿的隔代遗传现象。这种多因素特征，寿命的增加，与特异性组蛋白甲基化作用标记物的缺失相关，而这一表型持续了三代（专项说明1）。复杂特征如糖尿病、肥胖以及老龄化的表观遗传性在遗传方面的研究正在迅速发展并成为令人激动的前沿；然而，对于营养物质回应的表观遗传性基因调节作用中的遗传性组分的证据具有相关性，而迄今为止还没有任何机制性的认识内容存在。两项经典的流行病学研究分析了子宫内发育过程当中暴露于营养不足或营养过剩条件下如何与第一代和第二代后代的代谢性疾病风险形成相关性。第一项研究发现当母亲遭受过1944年严重的荷兰大饥荒，婴儿出生时体重不足，但在成人期形成肥胖的风险显著性增加。第二项群体性研究是瑞典北方Overkalix偏远地区食物供给变动后对这一现象出现后代谢性疾病形成风险的研究。值得注意的是，当祖父在8-12岁期间食品供给正常与食品供给不足的不同人群相比，前者的孙儿一代形成心脏病和糖尿病的普遍性明显增加同时寿命减少。在哺乳动物中，几种实验性研究已经表明对于亲本一代营养不足或过量的应答是反向代谢性表型的代间传递。然而对这些结果需要小心对待，因为在病理性结果与特异性基于染色质的机制之间还没有显示出任何机制性的联系。 在哺乳动物中研究表观遗传性传递的一个复杂因素是将母本生殖谱系的直接效应与后代在子宫内暴露的效应区分开。有几个研究已经检验了对于代谢性条件变化应答的父本遗传的分布情况。雄性小鼠在交配前进行节食的条件处理会影响两种性别的后代的血液中葡萄糖的含量。后代中雄性和雌性小鼠都在肝脏中显示出对父本低蛋白饮食条件应答性地在涉及到脂类和胆固醇生物合成方面基因的上调。还有报道指出在小鼠中对于适应性节食的应答中Pparα的增强子区域中DNA甲基化作用呈温和的但可重复性的变化，Pparα基因编码一种核受体，这种核受体是适应性节食应答的关键调节物。在大鼠的一项标志性研究中将父本的饮食条件与雌性后代中生产胰岛素的β细胞功能失调现象联系在一起。使用高脂肪饲料的长期喂食会改变下一代个体体内与葡萄糖代谢作用相关的胰岛基因的表达，对葡萄糖的耐受以及胰岛素的敏感性造成损伤。再一次在这些结果中呈现出的相关性需要机制方面的认识在营养条件与基因调节作用中可遗传的染色质介导的变化之间建立明确的联系。
前景和问题 内源性代谢物像可变电阻输入或前馈信号那样可以协助驱动决定细胞命运的转录程序，这一发现是多种细胞性功能整合作用的一个非常好的例子。在代谢产物与转录因子之间存在的所有联系可能还没有完全被发现。能够在DNA甲基化、组蛋白修饰作用以及核小体在基因组范围的定位这些方面提供信息的大型数据的产生，特别是ENCODE项目，在这方面的工作中将成为重要的工具。此外，代谢组学、蛋白组学以及全基因组序列测定方法使区域特异性代谢状态的测量成为可能，而区域特异性的代谢状态将与染色质的状态以及基因的表达相关。 然而，由于复杂的特征往往由染色质介导的机制所调节，因此很难从像酵母或哺乳动物细胞培养系统这样的简单实验模型中推导出对于整个有机体复杂性的发现。因此将来的工作需要在特异性的酶的调节作用中集中注意器官、年龄以及疾病特异性的代谢性变化。  Figure 5: Epigeneticdrift and transgenerational inheritance of disease risks. DNAmethylation and histone marks are established during embryonic development tomaintain cell lineage commitment. After birth the chromatin landscape retains adynamic configuration throughout life. Changes of chromatin marks within a genelocus, termed epigenetic drift, occur in response to nutritional, metabolic,environmental or pathological signals and are part of homeostatic adaptations.When adverse epigenetic drift compromises a cell's capacity to adequatelyrespond to challenges, disease susceptibility increases stochastically. Undersome circumstances epigenetic marks may escape epigenetic reprogramming duringgametogenesis and be inherited by subsequent generations. Transgenerationalinheritance of epigenetic regulation would contribute to disease susceptibilityby transmitting an acquired epigenetic predisposition to the next generationindependently of genetically inherited risk factors. 图5 疾病风险中表观遗传性漂变以及隔代遗传性 为了维持细胞谱系的使命，在胚胎发育阶段DNA甲基化作用和组蛋白的标记物就已经建立了。出生以后染色质整体上在整个生命过程中维持一种动态形式。在基因位点上染色质标记物的改变被称之为表观遗传性漂变，它会在对营养、代谢、环境或病理性信号的回应中发生并成为体内平衡适应作用的一部分。当一个不利的遗传性漂变破坏细胞对困难的适应性应答能力时，疾病的敏感性就会随之而增加。在某些条件下表观遗传性标记物可能会在配子形成时逃脱表观遗传性重新程序化作用并被下一代所继承。表观遗传调节作用的隔代遗传会通过将获得的表观遗传性倾向传递给下一代对疾病的敏感性起作用而不依赖于遗传性继承的风险因素。 代谢性表观遗传性的重新程序化作用 这些发现还产生了大量的重要问题。比如，特异性的食谱干预方法，如热量限制或产酮体性食品，是如何影响到染色质和转录作用从而导致在代谢性健康方面得到益处的？另外，与肥胖相关的饮食上的变化或者是代谢上的变化能导致可能产生隔代遗传的表观遗传性的改变么？在西方世界肥胖和代谢性疾病不断增长的流行性备受关注。如果与肥胖相关的代谢性变化确实会导致表观遗传性的改变，那么某些变化将会产生隔代遗传病导致后代中对于代谢性疾病产生表观遗传性的倾向。如果情况真是这样的话，就会产生一种可能的恶性循环（图5）。在这个“继承性遗传变化”的模型中，在慢性老龄化过程中获得的表观遗传性修饰作用将会减少体内平衡应答的能力。这些变化中的一部分将会通过生殖谱系不完全的重新程序化作用而传递到下一代（或下几代）中。肥胖和心血管疾病的高度普遍性被认为是最近发现的寿命缩短的原因。理解营养物质、代谢物以及其他环境因素对于代谢性全貌的影响以及对于表观基因组的影响可能会开辟新的治疗方法。怀孕前或发育期间被重新程序化的DNA甲基化作用和组蛋白修饰作用的模式会清除已经改变了的表观基因组么？控制表观遗传性修饰作用的酶可能代表着发现新的药物目标的一片肥沃的土壤，而针对各种疾病的组蛋白修饰物药物的临床测试已经在进行之中了。 生物标记物传感器 就如已经对NAD+和SIRT1所讨论的那样，对于中间代谢物和染色质调节物之间纽带的充分理解需要研制出高度敏感而且选择性好的传感器，用于对不同器官和细胞部位代谢物浓度的测量。用于测量NADPH、SAM、丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）以及激活的AMPK的新的工具已经研制出来。对这些基于荧光报道基因的使用将会使关键问题得到回答。对不同代谢物在核中、细胞质中以及线粒体中浓度的比较，或是测量组织中代谢物的浓度梯度。一种过氧化物酶传感器HyPer已经显示出在体内水平通过局部过氧化氢的浓度梯度白细胞被征募到创伤区域。同样代谢传感器也可以用于透明的斑马鱼来测量不同疾病模型各个组织梯度或亚细胞水平的表观遗传性调节物的分布。 之前预测的由代谢物对表观遗传性程序的调节作用是对于不同细胞功能生物性整合的一个重要机制。还有许多等待发现，而对于代谢和表观遗传性调节物之间串扰的研究可能会带来对细胞和机体功能的更完整整合的理解，并且可能会带来新的治疗机会。 （全文完） 
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来自： 二月石桥 > 《遗传学 分子表观行为进化反向生态遗传学》
