Plus综述|表观遗传是否能决定细胞命运?——从表观组到功能

昵称32772025 2017-01-19

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编者按

近年来，表观遗传学领域已成为学界一个快速发展的研究热点，诸如 DNA 甲基化、组蛋白修饰等表观遗传学修饰被不断鉴定出来，井喷式的科学报道揭示了这些分子标记与细胞类型、机体发育、疾病与健康等多种生物学范畴的高度相关性。但是，从表观遗传学修饰到基因调控和其它生物学过程，这一过程的具体机制仍然没有得到全面的解释。近期，Nature 发表综述，集中探讨了表观遗传学领域的这一挑战性问题。该文回顾了探索表观遗传学与基因表达调控的经典方法，并讨论了基因编辑等新技术用于领域研究的可行性。

表观遗传学概念起源于上世纪中期，最初的发现是，很多非遗传因素也参与了细胞功能和性状的调控。Conrad Hal Waddington 在1942年第一个提出了“表观遗传学”这个定义，用来描述基因型向表型转化过程中的影响因素（“by which the genes of the geno- type bring about phenotypic effects”）（图 1）。半个多世纪以来，我们对于表观遗传学的认知有了极大的进步，突破性的发现揭示了染色质，这一组蛋白 -DNA-RNA 复合物，在基因表达调控中的重要作用。染色质修饰在不同发育阶段、不同组织类型以及不同疾病的细胞中具有区别显著的特征，而通过对表观遗传谱进行分析，我们不断发现染色质特征与基因功能乃至细胞状态、发育、衰老、疾病等存在重要的关联。但问题在于，相关性与因果关系并不能画上等号，表观遗传修饰与基因调控的机理仍没有得到完整的揭示。

图 1 C. H. Waddington 提出的表观遗传学模式，表观遗传修饰在发育过程中影响细胞命运的决定，类似于小球下路进入不同路径

过去，受限于技术，通过检测单个标记并探索其功能效应是比较困难的，大多数研究停留在染色质“区域性”功能的程度。受益于基因编辑技术的发展，表观遗传学研究正处于突飞猛进的转折中：新方法能让我们探寻单独的染色质标记与基因调控、细胞分化、疾病发生等过程的因果关系。

在人类基因组计划完成以后，学界的注意力转移到了复杂基因组的调控机制上来，进而涌现了大批表观遗传组分析项目。自 2003 年的 ENCODE 计划以来，众多表观遗传组检测项目产生了数量和复杂性都在急剧增长的数据，这些数据描述了染色质上各具特征的修饰细节（图 2），主要包括：1）DNA 修饰，如 5mC、6mA 等，以及 5mC、3mC、6mA 各自对应的氧化产物，目前共计有 6 种已知的 DNA 水平的修饰，但这一数目仍在不断增加。2）组蛋白修饰，目前的发现表明组蛋白修饰是一个十分庞大的类群：已发现的化学修饰类型有 12 种，它们可能出现在 130 多个转录后修饰位点上，而组蛋白本身除了 5 种基本类型外，还有 30 多种已发现的变体。更为重要的是，除了一些经典的组蛋白标记外（例如 H3K9 与 H3K27 在低表达基因启动子的甲基化，H3K4 甲基化、H3K27 乙酰化与活性启动子和增强子的相关性等），大量组蛋白修饰与基因调控的关系仍有待发现。3）RNA 修饰与非编码 RNA 调控，受技术限制，对编码和非编码 RNA 的修饰分析仍不全面，但尽管如此，目前已发现 100 多种不同的 RNA 修饰。新的修饰仍不断被发现，可是对于 RNA 如何与染色质互作，进而调控基因的表达，这些根本性的问题并未得到解决。

图 2 表观遗传学修饰在不同研究尺度上的种类和方法

值得探讨的是，目前产生的大量表观遗传学信息往往需要多个层面的数据提供“辅助”。从方法学的角度来讲，单一的表观遗传组分析只能产生描述性的信息，要想进一步推断表观遗传修饰的功能，有赖于多个层面的信息整合：例如将表观遗传数据与基因组、转录组数据结合可以获知二者的相关性，进而得出因果关联（尽管是间接的）。（图 2、图 3）令人庆幸的是，新的基因编辑方法的出现，为探索单一位点表观遗传修饰的功能提供了可能。同时，可以预见，未来可能出现的表观遗传组编辑等方法，将使我们能够在组学层面上更直接地鉴定出功能性的表观遗传标记。（图 3）

图 3 不同层次的实验和分析方法解决不同深度的表观遗传学问题

要从整体上探究表观遗传组的信息（或者说 global 水平上染色质的状态），多种实验技术的运用是必不可少的。比较常见的诸如：ChIP-seq 用于检测组蛋白修饰与染色质结合蛋白（转录因子等）在染色质上的分布；ATAC-seq 和FAIRE-seq 用于检测染色质开放（活性）的区域；染色质构想描绘技术（包括3C、4C、5C、Hi-C 与 ChIA-PET）用于在三维层面上描绘染色质 DNA 片段间的物理作用等。而要将诸多实验获得的数据有效整合起来，通常需要经过两步：首先，缺失的数据将通过相同样本或者紧密相关样本的数据进行整合补充，DNA、组蛋白修饰和转录因子结合的数据是最主要的；然后，其它非表观遗传被加入进来作为参考，例如转录起始位点的注释、基因转录组的分析与非编码 RNA 的结合等。这些信息被打包整合标注在基因组上，用以描绘染色质在不同位置的具体状态，并探讨表观遗传修饰与基因调控的联系。（图 4）

图 4 多维度的表观遗传信息整合以描绘染色质状态

近年来，基因编辑技术得到了长足的发展，继 TALEN 和 ZFN 问世以后，Cas9 的发现更是使得基因编辑变得简便快捷。而在表观遗传学研究的层面，基因编辑使得定点研究表观遗传修饰与基因调控的联系变为可能。目前已经有大量研究使用基因编辑技术研究表观遗传学问题，例如：有报道指出在 RHOXF2 启动子的部分位点进行去甲基化可以在转录水平上显著上调基因表达；表达 dCas9-p300（p300 是组蛋白乙酰化酶）融合蛋白，并通过对应的 gRNA 靶定到基因的启动子增强子区域，可以有效激活 MYOD 与 OCT4 的表达；而在大量报道中，使用 LSD1 和 DNMT3A 去定点调控组蛋白和 DNA 的甲基化，进而改变启动子活性，调控基因表达，似乎已经成为了司空见惯的技术手段。

总的来讲，通常使用基因编辑技术进行表观遗传学研究主要有三种模式：1）使用靶向性的染色质结合复合物（如 dCas9 等）将染色质修饰体（writer 或 eraser）带到染色质上，进行定点的染色质修饰改变，再检测对应基因的调控指标（图 5a）；2）通过在同一染色质位点建立不同的染色质修饰类型（或多种类型叠加），探究染色质存在的多重层面状态以及多种修饰间的相互影响（图5b）；3）通过建立基因编辑文库，可以对表观遗传学修饰及其功能位点进行筛选（图 5c）。目前，已经有大量表观遗传修饰酶成功通过基因编辑技术用于功能性研究。（图 6）