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2019年7月10日，来自美国NIH的Ananda L. Roy团队在Science Advances上发表了题为The NIH Common Fund/Roadmap Epigenomics Program: Successesof a comprehensive consortium的综述文章，回顾了NIH表观遗传组学蓝图计划（Roadmap）启动的契机和总体目标；介绍了表观遗传组学项目的成果：参考表观遗传组、国际间表观遗传的合作研究、疾病的表观遗传基础和新型表观遗传标志物的发现、表观遗传研究技术的发展等；总结了项目实行过程中的经验和教训。 
表观遗传组学是研究DNA和组蛋白修饰的科学。DNA修饰及组蛋白修饰能够改变基因组信息的读取和书写，在不改变DNA序列的前提下，调控染色体结构、基因活性和基因表达。表观遗传调控基因表达的研究可以追溯到1970年代到1980年代，但直至2000年代早期才出现全基因组水平研究表观修饰的方法。随着DNA测序技术的进步，亚硫酸氢钠测序法、染色质免疫沉淀测序法的发展及高度特异性识别组蛋白修饰抗体的产生，都为我们描绘细胞特异的表观遗传地图提供了契机。所以，对表观遗传组学领域里存在关键性科学问题的不断挑战、大量的科研界关注及NIH对该领域研究的资助，三者推动了NIH表观遗传组学蓝图计划（the NIH Roadmap Epigenomics Program）。 Roadmap Epigenomics Program官网截图。1998-2006年间，NIH资助的项目中涉及到基因表达的改变与表观遗传相关的研究和文章发表呈现增多的趋势，但是一半以上限定在癌症领域，其他疾病的表观遗传研究比较缺乏。同时，大多数的文章将表观遗传限定在DNA甲基化修饰，而且在动物模型中研究居多。对人类原代组织的全基因组水平分析则由于检测灵敏度较低、需要大量的细胞等无法实现。总体而言，科学文献表明很多生物过程都有表观遗传机制的参与，但是验证这些猜想-特别是在人类样本中检测全基因组表观遗传修饰-仍然具有挑战性。 彼时，表观遗传研究面临的困难有：1）缺乏对“人类表观遗传组”的定义，表观遗传标志物具有动态变化性，不同种类的细胞之间、同一种类不同个体细胞之间的差异；2）需要定义多能细胞的表观遗传“基态”和这种“基态”在分化过程中如何变化。除此之外，个体科研团队在表观遗传领域也投入了大量的努力。正是这些科学问题和挑战、对NIH资助项目的分析以及科学团体的投入最终推动了NIH表观遗传组学蓝图计划。 这个项目的总体目标是建立一套人类的参考表观遗传组，发展新的技术作为科学团体研究表观遗传对人类发育、生命过程/衰老、对环境的反应、疾病的病理过程等基础研究的资源。项目设计之初就认识到，一方面需要高度协调的联合团体对多种人类细胞类型和组织进行表观遗传组学检测和分析，一方面需要较小的项目组进行创新和发现，特别是技术的发明【1】。很多人类的细胞类型和组织的来源有限，这就要求提高表观遗传检测技术的灵敏度。因此，需要大量的技术创新（包括分离特定组织中同质细胞群、对有限数量细胞的检测、增加检测技术的通量等）辅助联合团体的蓝图计划。正是联合团体的大规模投入与小规模的创新和技术发展相结合的模式最终成就了这个项目的成功。表观遗传组学蓝图计划希望为科学团体提供公共资源，推动并扩展科研人员对表观遗传的探究。与之前的项目相比，蓝图计划有三大不同之处：1）聚焦于人类组织和细胞，而不是动物细胞和动物模型；2）在全基因组水平而不是单个基因位点或者多个基因位点，研究表观遗传特点；3）重点在于发现新的表观修饰标志物。ENCODE（Encyclopedia of DNA Elements）项目主要编录了动物模型或培养的人类细胞中的调控元件，而蓝图计划的目标则是通过分析人类组织和细胞的数据对此进一步构建。目前为止，蓝图计划的可交付成果主要包括：1）参考表观遗传组；2）国际间表观遗传的合作研究；3）疾病的表观遗传基础；4）新型表观遗传标志物的发现；5）表观遗传研究技术的发展。参考表观遗传组：蓝图计划的主要目标之一就是建立人类细胞和组织的参考表观遗传组。在不同类型的人类细胞和组织中建立全基因组水平的多种表观修饰参考组学，这需要联合科学体的共同努力。同时，疾病和身体特征相关的基因变化与组织特异性的表观遗传相互联系，提示我们重要的细胞类型参与特定基因特征的决定以及参与到人类疾病病理过程。为了定义出人类参考表观遗传组，我们综合分析了111个人类参考表观遗传测序数据，包含了全面的组蛋白修饰数据、DNA accessibility、DNA甲基化数据和RNA表达数据。并且，将这些数据合并到ENCODE门户网站，以便综合查询表观遗传特征、人类调控元件和识别元件的转录因子。蓝图计划所绘制的参考表观遗传组使我们能更加深入和全面地理解特定组织或细胞类型的调控元件如启动子和增强子，对ENCODE和CTEx（Genotype-Tissue Expression）数据库提供的信息进行完善。同时，参考表观遗传组有助于对很多复杂疾病相关的GWAS（genome-wideassociation study）数据进行疾病相关优先级的排序，这是参考基因组所不能的。很多研究都能综合运用Roadmap和ENCODE的组蛋白修饰、染色体状态、转录因子结合等数据，从而推断复杂人类疾病相关的表观遗传特征或者新的表观遗传标志物【2】。国际间表观遗传的合作研究：表观遗传组学项目组同时也是国际人类表观遗传联合体（International Human Epigenome Consortium，IHEC）的创始成员之一。IHEC成立的主要目标是通过国际间的共同合作建立出人类健康和疾病条件下重要细胞状态下的人类表观遗传参考组学。同时，发展出生物信息学的标准、数据模型、分析工具等以便组织、综合病展示国际合作产生的表观遗传组学数据。Roadmap和IHEC共同追求提高不同数据间的兼容性和互用性，确保数据的产生不会重复。Roadmap在ENCODE的基础上发展出一套共同的元数据标准和数据标准。截止2018年9月，IHEC成员，包括Roadmap和ENCODE，共产生8870个表观遗传的数据（http:///ihec/）。疾病的表观遗传基础和新型表观遗传标志物：Roadmap计划包括研究表观遗传变化在疾病病理中的作用，归纳出较为基础的知识，为了将表观遗传信息转化成疾病预防、诊断、治疗提供参考。其中个人科学家取得了令人瞩目的成绩。De Jager等【3】利用2项和衰老相关的前瞻性研究，鉴定出大脑额叶皮质区的基因组上11个区域的甲基化状态和阿尔兹海默症的病理相关，并且在队列研究中得到验证。同时，发现8个临近区域的基因在阿尔兹海默症病人中差异表达。Reynolds等【4】在单核细胞和T细胞中鉴定出与年纪相关的甲基化变化，这些表观修饰的变化主要发生在调控基因表达的区域，如增强子。Yang等【5】通过比较患有哮喘的城市儿童和健康对照的外周血单核细胞中的DNA甲基化图谱，鉴定出11个与哮喘相关的基因其甲基化状态和基因表达都改变，而且在另一项队列研究中得到验证。发现新型表观遗传标志物是Roadmap计划的一个重要目标，以帮助我们更全面地理解表观修饰的多样性，并为建立参考表观遗传组提供资料。Roadmap计划中已经鉴定出70多种新型的组蛋白修饰，包括进化上非常保守的赖氨酸的巴豆酰化以及长期饥饿或streptozotocin诱导的糖尿酮酸中毒导致赖氨酸的β-羟基丁酰化。发现更多与人类疾病相关的新型表观遗传标志物是目前值得探索的领域之一。表观遗传研究技术的发展：Roadmap计划所关注的技术发展主要在如何提高检测或操纵表观遗传的效率。创新性的检测技术包括MethyIC-seq、质谱法纯化染色质（chromatin affinity purification with mass spectrometry）、表观修饰催化酶的活体影像学。对表观修饰进行基因位点特异或标志物特异的操纵技术包括光诱导的CRISPR-Cas9技术控制内源基因的激活、CRISPR-Cas9乙酰基转移酶技术进行表观遗传组编辑来沉默远端的调控元件。这些研究丰富了表观遗传编辑的技术手段，有助于未来以基因组和表观遗传组为基础的治疗，推动了Somatic Cell Genome Editing项目的开展。科研项目的成功是难以量化的，科学的进步对人类健康和疾病的最终影响需要经过多年的观察得到。在衡量Roadmap计划是否成功时，我们选取以下量化指标：1）数据、发表文章、资源的使用；2）人类疾病的表观遗传机制上的新发现；3）高价值的新技术。从2008年到2017年11月30日，Roadmap项目组共发表857篇文章，其中699篇为研究性文章，总引用数达44245，平均相对引用率（Relative Citation Ratio，CRC）为3.60，中位RCR为1.44（NIH的基准中位RCR为1.0），Roadmap项目组发表的文章的影响力更大。自2007年Roadmap计划启动以来，PubMed数据库中“表观遗传组”文章数目以及NIH资助的相关研究显著增加，癌症之外的其他疾病的表观遗传研究显著增加，同时Roadmap项目组的55个专利申请中有27个获批。NIH Roadmap项目计划的制定和实施，需要兼顾以下几个问题：1）项目的总体架构（如如何平衡以创新和技术发展为主要目标的体量较小的项目和以参考表观遗传组学为目标的体量较大的项目）；2）如何协调综合项目组，使之合力解决科学问题；3）如何建立并且高效率地达到Roadmap的目标。首先，Roadmap表观遗传组学项目在涉及之初就兼顾了大规模数据产生的项目和小型的创新和探索为主的项目，两者可以相互协调，相互借鉴，共同完成Roadmap计划。其次，合作性地完成科学研究需要科学家更多地适应到集体目标为中心，而不是专注于自己的研究兴趣。为此，Roadmap项目制定了数据和资源分享的政策，特别是科研工具和方法的共享。比如，哺乳动物细胞中全基因组bisulfite甲基化测序技术被所有参考表观遗传组学图谱的项目组所共享。最后，新加入的项目组可能不适应NIH所建立的目标，Roadmap成立了监督委员会，由项目组成员和NIH工作人员共同组成。委员会广泛听取内部和外界顾问对于项目组目标和期望的看法，并作出适当的调整。总而言之，本文对NIH表观遗传组学蓝图计划的开启、目标、取得的成就、面临的挑战等进行详细的解析，希望对后续的大型联合性科学项目的实施有所借鉴。原文链接： https://advances./content/5/7/eaaw6507 制版人：小娴子 1. B.E. Bernstein, J. A. Stamatoyannopoulos, J. F. Costello, B. Ren, A.Milosavljevic, A. Meissner, M. Kellis, M. A. Marra, A. L. Beaudet, J. R. Ecker,P. J. Farnham, M. Hirst,E. S. Lander, T. S. Mikkelsen, J. A. Thomson, The NIHRoadmap Epigenomics Mapping Consortium. Nat. Biotechnol. 28, 1045–1048 (2010).2.R. F. Pérez, J. R. Tejedor, G. F. Bayón, A. F. Fernández, M. F. Fraga, Distinctchromatin signatures of DNA hypomethylation in aging and cancer. Aging Cell 17,e12744 (2018).3. P. L. De Jager, G. Srivastava, K. Lunnon, J. Burgess, L. C.Schalkwyk, L. Yu, M. L. Eaton,B. T. Keenan, J. Ernst, C. McCabe, A. Tang, T.Raj, J. Replogle, W. Brodeur, S. Gabriel,H. S. Chai, C. Younkin, S. G.Younkin, F. Zou, M. Szyf, C. B. Epstein, J. A. Schneider,B. E. Bernstein, A.Meissner, N. Ertekin-Taner, L. B. Chibnik, M. Kellis, J. Mill, D. A. Bennett,Alzheimer’s disease: Early alterations in brain DNA methylation at ANK1, BIN1,RHBDF2 and other loci. Nat. Neurosci. 17, 1156–1163 (2014).4. L.M. Reynolds, J. R. 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