文|峰瑞資本

萬(wàn)物生而有靈，生命的復(fù)雜與奧妙常常超乎我們的想象。生物中一些看似微小的異常與變化，或許就能被人們延展出一門(mén)枝葉繁茂的前沿學(xué)科。下面這幾個(gè)生活中的現(xiàn)象，也許會(huì)引起你的興趣：

三花貓攜帶黃色和黑色的毛色基因。根據(jù)中心法則，雌貓的兩條X染色體分別攜帶黃色和黑色基因時(shí)，毛發(fā)應(yīng)該呈現(xiàn)黑色和黃色的混合色，即棕色。為什么最終三花貓是黃黑相間，而不是棕色？

在蜂群中，工蜂和蜂王都是由雌性幼蜂發(fā)育而來(lái)。但蜂王只負(fù)責(zé)產(chǎn)卵繁衍后代，工蜂則只負(fù)責(zé)勞作。蜂王壽命有幾年，而工蜂只能存活幾個(gè)月。究竟是什么“神秘力量”，決定了它們截然不同的發(fā)育結(jié)果？

二戰(zhàn)后期，荷蘭人經(jīng)歷了一段“饑餓的冬天”（The Hunger Winter）。饑荒似乎被記錄在了遺傳物質(zhì)當(dāng)中。大饑荒時(shí)期懷孕的人生下的子女，往往體型更小。難道饑荒對(duì)人們的影響會(huì)遺傳嗎？

這些問(wèn)題都可以用一個(gè)有些冷門(mén)的學(xué)科——表觀遺傳學(xué)的知識(shí)來(lái)解釋?zhuān)覀儠?huì)在文中逐一展開(kāi)分析。

提到“遺傳”“基因”，也許多數(shù)人的第一反應(yīng)，就是雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA長(zhǎng)鏈，上面的堿基排列組合，承載著我們生命的“密碼”。但是，在DNA序列之上，還有另外一套機(jī)制在發(fā)揮作用。它就像一個(gè)信息的篩選器，控制著DNA序列中的哪些部分可以得到表達(dá)，哪些部分則會(huì)變成沉默的“無(wú)效信息”。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，表觀遺傳學(xué)研究有重要意義。它可以幫助我們攻破腫瘤治療的難題，比如延緩腫瘤耐藥性的形成，提升腫瘤對(duì)于藥物的敏感性。它還有助于我們研究紅斑狼瘡、阿爾茲海默癥、帕金森癥等由表觀修飾異常引發(fā)的復(fù)雜病種，理解它們的致病機(jī)制，尋找新的治療藥物。

目前，與基因組學(xué)相比，表觀遺傳學(xué)的整體發(fā)展還處在早期階段，進(jìn)展主要集中在學(xué)術(shù)界，臨床檢測(cè)和藥物研發(fā)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化較少。但是我們相信，隨著技術(shù)進(jìn)步，表觀遺傳學(xué)的研究方法將迭代和普及，未來(lái)這一領(lǐng)域會(huì)有更多科研突破。同時(shí)，人類(lèi)對(duì)復(fù)雜疑難疾病的治療需求，也將推動(dòng)生物醫(yī)藥工作者們?cè)谙嚓P(guān)方向持續(xù)探索。

你將在本文讀到：

• 為什么DNA序列不能完全決定生物的表型特征？
• “同種不同命”，為什么飲食也會(huì)影響基因的表達(dá)調(diào)控？
• 表觀遺傳學(xué)如何幫助我們攻克惡性腫瘤、阿爾茲海默等復(fù)雜疾?。?/li>
• 表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域，會(huì)出現(xiàn)下一個(gè)“華大基因”嗎？
• 表觀遺傳學(xué)在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展前景如何？
• 在表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域，有哪些創(chuàng)業(yè)和投資機(jī)會(huì)？

01 我們?yōu)槭裁匆P(guān)注表觀遺傳學(xué)？

提到“表觀遺傳學(xué)”，許多人會(huì)感到十分陌生。但下面這幾個(gè)生活中的現(xiàn)象，也許會(huì)引起你的興趣。

第一個(gè)現(xiàn)象是三花貓。三花貓都是雌貓，身上有白、黃、黑三種顏色。有意思的是，造成黑色和黃色毛發(fā)的基因，是雌性貓X染色體上均為顯性的等位基因。根據(jù)中心法則，雌貓的兩條X染色體分別攜帶黃色和黑色基因時(shí)，毛發(fā)應(yīng)該呈現(xiàn)黑色和黃色的混合色，即棕色。但我們看到的三花貓卻是黃黑相間，也就是說(shuō)毛發(fā)選擇性地表達(dá)一種顏色。三花貓的特殊毛色是怎么形成的？

圖片來(lái)源：Unsplash

第二個(gè)現(xiàn)象是蜜蜂。在一個(gè)蜂群中，工蜂和蜂王都是雌性，但它們差異非常大。蜂王只負(fù)責(zé)產(chǎn)卵繁衍后代，而工蜂則喪失生育能力，負(fù)責(zé)采集食物、修筑蜂巢、哺育幼蟲(chóng)等蜂群內(nèi)外的勞作。蜂王壽命有幾年，而工蜂只能存活幾個(gè)月。決定雌性蜂幼蟲(chóng)發(fā)育為工蜂還是蜂王的主要因素在于飲食：雌幼蟲(chóng)連續(xù)食用蜂王漿，就會(huì)發(fā)育成為蜂王；而如果前三天被喂食蜂王漿，之后被喂食蜂蜜和花粉，則會(huì)發(fā)育成為工蜂。為什么蜂王漿可以決定幼蜂的發(fā)育“命運(yùn)”呢？

忙碌的工蜂。圖片來(lái)源：Unsplash

上面幾個(gè)例子，都可以用表觀遺傳學(xué)的知識(shí)來(lái)解釋。

表觀遺傳學(xué)是指基因組之上、之外的調(diào)控機(jī)制，英文名稱(chēng)為Epigenetics，其中epi-有“之上，之外”的意思。顧名思義，表觀遺傳學(xué)既研究“表觀”的調(diào)控規(guī)律，又研究這些調(diào)控規(guī)律如何遺傳的。

那么，當(dāng)下我們?yōu)槭裁搓P(guān)注表觀遺傳學(xué)？

首先，從人口年齡結(jié)構(gòu)和疾病譜的變化看，我國(guó)平均預(yù)期壽命已達(dá)78歲以上，伴隨人口老齡化，以神經(jīng)和精神系統(tǒng)疾病、糖尿病、腫瘤等為代表的慢性非傳染性疾病已成為影響我國(guó)居民健康的主要疾病。這些疾病往往是機(jī)體與環(huán)境的交互失調(diào)導(dǎo)致。作為研究生命體的基因表達(dá)和外部環(huán)境相互作用的學(xué)科，表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的研究與這一類(lèi)疾病的致病原理十分契合，可為相關(guān)的疾病診療和藥物研發(fā)提供新思路。

其次，從藥物研發(fā)角度，當(dāng)前研發(fā)者越來(lái)越關(guān)注療法在病灶部位起效的“選擇性”，也就是使藥物更精準(zhǔn)地作用在發(fā)病位置，而不累及其它健康的器官和功能。而表觀遺傳的本質(zhì)是調(diào)控基因的表達(dá)，這一特質(zhì)為提高上述“選擇性”提供了新的方法。

例如，通過(guò)干預(yù)表觀遺傳靶點(diǎn)，可以增強(qiáng)腫瘤對(duì)于治療藥物的敏感性，克服腫瘤耐藥性甚至腫瘤的轉(zhuǎn)移，展現(xiàn)出藥物聯(lián)用的優(yōu)勢(shì)。另外，在基因治療藥物中，表觀遺傳元件的使用可以增強(qiáng)藥物的精準(zhǔn)性，使藥物發(fā)揮功能向人體生理靠攏。未來(lái)，表觀遺傳研究在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)方面的價(jià)值和潛力將不斷得到挖掘。

第三，表觀遺傳學(xué)發(fā)展仍處于早期，潛力可觀。過(guò)去幾十年，華人科學(xué)家在表觀遺傳領(lǐng)域做出了大量貢獻(xiàn)，如哺乳動(dòng)物DNA甲基化的建立和去甲基化，多種組蛋白去甲基化酶的發(fā)現(xiàn)，RNA的表觀遺傳學(xué)等等。未來(lái)，這一領(lǐng)域仍將不斷取得進(jìn)展，一系列新的表觀遺傳機(jī)制有待發(fā)現(xiàn)，成像和測(cè)序工具將向高效、低成本化迭代，臨床端藥物的種類(lèi)和形式也將不斷創(chuàng)新。/ 02 / 表觀遺傳學(xué)——出牌順序不同，結(jié)果不同

相較于表觀遺傳，“遺傳”和“中心法則”可能是人們更為熟知的概念。中心法則指的是遺傳信息從DNA流動(dòng)到RNA再流動(dòng)到蛋白質(zhì)。中心法則的存在，使得人們往往認(rèn)為，基因組DNA序列決定著生物體所有表型。同時(shí)，由于DNA序列的穩(wěn)定性，這些表型特征可以穩(wěn)定、多代地遺傳。應(yīng)用基因編輯等技術(shù)，也有可能治療諸如L-鐮刀型紅細(xì)胞貧血癥、囊性纖維化這類(lèi)因?yàn)閱位蛲蛔儗?dǎo)致的遺傳病。

而事實(shí)上，一些生物的性質(zhì)，看似不遵循傳統(tǒng)中心法則。在DNA序列沒(méi)有發(fā)生改變、啟動(dòng)基因表達(dá)的生物學(xué)元件沒(méi)有缺失的情況下，DNA表達(dá)的調(diào)控發(fā)生了改變，造成個(gè)體和個(gè)體細(xì)胞有著不同的表型。而且，某些差異還可以遺傳至下一代或子細(xì)胞。好比玩撲克牌，打牌選手和牌沒(méi)有變，如果出牌順序變化了，就會(huì)帶來(lái)不同的結(jié)果。

這些中心法則之外的現(xiàn)象，往往是表觀遺傳學(xué)所關(guān)注的內(nèi)容。

表觀遺傳地勢(shì)圖形象地解釋了“表觀”的概念。圖中把基因的表達(dá)類(lèi)比為一個(gè)鐵球從山坡滾下的過(guò)程，不同的調(diào)控因素對(duì)應(yīng)不同的山坡，這些山坡的走勢(shì)影響了小球落到哪個(gè)山谷，也就是如何表達(dá)。

在微觀層面，表觀遺傳學(xué)研究的中心是染色質(zhì)，更確切一點(diǎn)，是不依賴(lài)DNA序列改變的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。

染色質(zhì)包含著個(gè)體的遺傳信息，由DNA和組蛋白形成。染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元是核小體，是DNA纏繞兩圈組蛋白形成的圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)。人的DNA展開(kāi)長(zhǎng)達(dá)2m，而細(xì)胞核直徑僅僅6微米，相當(dāng)于把40km長(zhǎng)線放入一個(gè)網(wǎng)球。很顯然，從核小體到染色質(zhì)，中間經(jīng)歷了非常多而有序的折疊步驟。

在不同的層次，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與DNA表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)一定程度上對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行了選擇。在染色質(zhì)折疊緊密的地方，基因表達(dá)元件難以靠近，基因表達(dá)受限。在折疊程度疏松的地方，基因表達(dá)則相對(duì)活躍。

03 三花貓、蜜蜂……解密表觀遺傳的微觀調(diào)控機(jī)制

在微觀尺度，主要有三個(gè)因素來(lái)調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而改變基因表達(dá)。它們分別是，DNA甲基化修飾、組蛋白修飾以及非編碼RNA。這是表觀遺傳影響個(gè)體表型最為重要的三種機(jī)制。三者共同決定染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響基因的表達(dá)。

DNA甲基化修飾

DNA甲基化（DNA Methylation）修飾，是目前被人們研究得較為充分的表觀遺傳機(jī)制。

DNA甲基化是指，在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶作用下，DNA上的特定C堿基（胞嘧啶）的5’位置連接上-CH3（甲基）基團(tuán)的過(guò)程，在哺乳動(dòng)物體內(nèi)主要出現(xiàn)在胞嘧啶-鳥(niǎo)嘌呤（CpG）二核苷酸位置上。甲基化通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)標(biāo)記，提供特定的分子形態(tài)信息，和空間上的位置障礙，通常能夠阻止轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，抑制基因的表達(dá)。

在蜜蜂發(fā)育的例子中，飲食不同造成的DNA甲基化修飾差異，可能是造成雌性幼蟲(chóng)發(fā)育結(jié)果不同的重要因素。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，工蜂與蜂王有超過(guò)550個(gè)基因呈現(xiàn)不同的甲基化狀態(tài)。蜂王漿能降低雌性幼蟲(chóng)的甲基化水平，促進(jìn)幼蟲(chóng)發(fā)育出完整的卵巢組織，最終成為蜂王。相比之下，幼蟲(chóng)在后期食用蜂蜜，甲基化水平維持在較高程度，最終發(fā)育成為工蜂。有趣的是，當(dāng)人為操作，降低雌性幼蟲(chóng)DNA甲基化水平，也會(huì)促進(jìn)蜂王樣的表型。

人有兩套染色體組，分別來(lái)自于父親和母親，根據(jù)孟德?tīng)栠z傳定律，父源和母源基因的表達(dá)，共同決定著子女的性狀。然而事實(shí)上，人體內(nèi)存在一類(lèi)特別的基因，也就是印記基因，它只選擇性表達(dá)父本或母本來(lái)源的等位基因。其結(jié)果是，這類(lèi)基因?qū)?yīng)的性狀只由單親一方?jīng)Q定。

造成這種表達(dá)差異的因素，在于父源和母源印記基因調(diào)控區(qū)域的甲基化狀態(tài)不同，改變了基因表達(dá)。因而，父母只有一方會(huì)影響子代的性狀。由此，人們可以通過(guò)印記基因在染色體的表達(dá)情況，推斷染色體來(lái)自于父方或母方。印記基因目前也被應(yīng)用于血緣分析和刑偵分析中。

胰島素樣生長(zhǎng)因子Igf2是目前被研究得最為徹底的印記基因之一，為我們?cè)谏衔奶峒暗暮商m大饑荒災(zāi)民的子代發(fā)育不良問(wèn)題，提供了一個(gè)解釋。

Igf2是一個(gè)父系表達(dá)的印記基因。如下圖所示，在正常的人體生理狀況下，母本Igf2的印記基因調(diào)控區(qū)（ICR）沒(méi)有被甲基化，調(diào)控蛋白（CTCF）能夠結(jié)合ICR區(qū)域，從而阻擋下游增強(qiáng)子接近Igf2基因，Igf2基因無(wú)法表達(dá)。相反，父本的調(diào)控區(qū)被甲基化，甲基的空間阻礙使得調(diào)控蛋白無(wú)法結(jié)合ICR區(qū)域。因而，下游增強(qiáng)子可以接近Igf2基因，并啟動(dòng)促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育必要的生長(zhǎng)因子的表達(dá)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Igf2的父本印記基因表達(dá)，而母本印記基因不表達(dá)。

2008年，學(xué)者研究對(duì)比了大饑荒階段生育的子女，與他們兄弟姐妹的Igf2調(diào)控區(qū)甲基化水平。結(jié)果顯示，大饑荒階段生育的子女的甲基化水平，顯著低于未經(jīng)歷大饑荒的兄弟姐妹。

可以推斷，這些子女們的父親，在大饑荒時(shí)期，食物中缺少甲硫氨酸等DNA甲基化的重要甲基來(lái)源，精子中Igf2調(diào)控區(qū)甲基化不足。在大饑荒時(shí)期生育子女時(shí)，父親將這一低甲基化狀態(tài)遺傳給了子女。進(jìn)而，低甲基化狀態(tài)在子女體內(nèi)穩(wěn)定復(fù)制和存在。

子女印記基因調(diào)控區(qū)甲基化不足，造成生長(zhǎng)因子表達(dá)不足，表現(xiàn)為身材矮?。p少能量攝入）、容易發(fā)胖（儲(chǔ)存更多能量），似乎是在“適應(yīng)”父輩面臨的饑餓環(huán)境。這也反映出表觀遺傳的一個(gè)重要功能，那就是增加子代的適應(yīng)能力，雖然這種能力可能是相鄰兩代間的。

組蛋白修飾

組蛋白修飾（histone modificaiton），指的是組蛋白尾鏈上的側(cè)鏈基團(tuán)（如氨基）發(fā)生翻譯后修飾，主要包括甲基化、乙?；?、磷酸化和泛素化等。

組蛋白和DNA之間可被理解為依靠靜電吸附連接在一起。組蛋白修飾通過(guò)調(diào)節(jié)組蛋白電荷、削弱核小體與外在蛋白相互作用、招募蛋白形成復(fù)合物等方式，在其尾部發(fā)生修飾，影響染色體的三維結(jié)構(gòu)，調(diào)控基因表達(dá)。

事實(shí)上，這些修飾功能除了調(diào)控轉(zhuǎn)錄，也在DNA復(fù)制和修復(fù)、維持基因穩(wěn)定性中扮演重要角色。同時(shí)參與表觀遺傳和DNA修復(fù)過(guò)程，使得相關(guān)的酶一度成為腫瘤藥研發(fā)的熱門(mén)靶點(diǎn)。我們會(huì)在下文繼續(xù)講述在理解腫瘤疾病的過(guò)程中，表觀遺傳調(diào)控扮演著什么樣的重要角色。

非編碼RNA與染色質(zhì)相互作用

非編碼RNA是一類(lèi)不具有編碼功能性蛋白或多肽能力的RNA，在DNA和mRNA兩個(gè)層次，具有調(diào)控基因表達(dá)的效果。

與DNA甲基化修飾和組蛋白修飾相比，非編碼RNA種類(lèi)很多，但由于堿基互補(bǔ)配對(duì)，使之能識(shí)別特定的DNA序列，使得非編碼RNA能夠進(jìn)行特異性的調(diào)控。同時(shí)，不同于DNA甲基化和組蛋白修飾一般針對(duì)一個(gè)或少數(shù)基因位點(diǎn)，非編碼RNA不僅能對(duì)單個(gè)基因進(jìn)行活性調(diào)節(jié)，也可以對(duì)整個(gè)染色體活性進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前，我們對(duì)非編碼RNA的研究程度，尚不及DNA甲基化和組蛋白修飾。

非編碼RNA一般分為三類(lèi)：管家非編碼RNA，如組裝蛋白質(zhì)中負(fù)責(zé)搬運(yùn)氨基酸的tRNA；小RNA，如環(huán)狀RNA、miRNA等；以及研究相對(duì)較少的長(zhǎng)非編碼RNA。

三花貓的毛色就是由一段名為Xist的長(zhǎng)非編碼RNA調(diào)控造成，Xist也是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)長(zhǎng)非編碼RNA。這條RNA在女性體內(nèi)，能通過(guò)結(jié)合在一條染色體上，反復(fù)纏繞，誘導(dǎo)一條X染色體的大部分基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄沉默。這一現(xiàn)象的生理意義在于，男性只含有1條X染色體，而女性含有2條。失活其中一條造成基因轉(zhuǎn)錄沉默，能夠達(dá)到兩性之間基因表達(dá)劑量平衡。

為什么有的三花貓毛發(fā)表達(dá)黑色基因，有的表達(dá)黃色，而非黑黃混在一起的棕色？因?yàn)閮蓷l分別編碼黑色和黃色基因的X染色體，有一條染色體失活。這種失活是隨機(jī)的。而三花貓的黑色和黃色毛發(fā)看起來(lái)是一簇一簇的，這可能是由于X染色體失活發(fā)生在發(fā)育早期，并且這種失活狀態(tài)可以穩(wěn)定遺傳。因而，分裂后的細(xì)胞仍然維持同一個(gè)毛發(fā)顏色的表型。

04 表觀遺傳學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)

1942年，生物學(xué)家Waddington提出“表觀遺傳學(xué)”的概念。之后，表觀遺傳學(xué)在關(guān)鍵物種和機(jī)制、測(cè)序和成像技術(shù)、分子調(diào)控工具、臨床檢測(cè)與藥物研發(fā)應(yīng)用等細(xì)分方向不斷取得進(jìn)展，經(jīng)歷了從觀測(cè)、測(cè)量，到操控與制造的發(fā)展過(guò)程。

20世紀(jì)末-21世紀(jì)初，表觀遺傳修飾關(guān)鍵物種（如DNA和組蛋白甲基化酶）和機(jī)制（如長(zhǎng)非編碼RNA造成染色體失活）逐漸清晰。人們逐漸關(guān)注這些物種和機(jī)制在染色質(zhì)上的作用結(jié)果。研究復(fù)雜染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、序列、位置的測(cè)序和成像技術(shù)加速發(fā)展。

這些“測(cè)量端”的進(jìn)步，為表觀遺傳學(xué)積累了大量數(shù)據(jù)。一方面率先轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，出現(xiàn)了包括熒光原位雜交基因檢測(cè)、腫瘤基因DNA甲基化檢測(cè)等臨床診斷產(chǎn)品，以及組蛋白去乙?；敢种苿ㄈ缥鬟_(dá)本胺）等治療藥物。

另一方面，測(cè)量端的進(jìn)步也推動(dòng)了表觀遺傳修飾（DNA甲基化修飾、組蛋白修飾、非編碼RNA與染色質(zhì)相互作用）與細(xì)胞表型之間因果關(guān)系的研究。比如，在分子水平，Crispr技術(shù)成為精確進(jìn)行表觀遺傳修飾的有效“操控”工具之一。這些分子調(diào)控工具積累的研究數(shù)據(jù)，有望推動(dòng)新一代表觀遺傳學(xué)藥物和臨床檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)。

總體而言，表觀遺傳學(xué)的發(fā)展有兩大基礎(chǔ)。在需求端，人們對(duì)于復(fù)雜發(fā)育調(diào)控規(guī)律的探索，對(duì)于腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫疾病等復(fù)雜病種有強(qiáng)烈的診療訴求。在技術(shù)端，關(guān)鍵物種解析、高通量測(cè)序、高分辨影像學(xué)、分子工具等不斷進(jìn)展。未來(lái)，需求端與技術(shù)端將繼續(xù)推動(dòng)表觀遺傳學(xué)的發(fā)展。

05 如何研究表觀遺傳學(xué)？

我們?cè)谏衔奶岬?，DNA修飾、組蛋白修飾和非編碼RNA三種主要的分子調(diào)控機(jī)制，從微觀層面影響表觀遺傳。那么，在中觀層面，人們主要通過(guò)染色質(zhì)及其核小體單元，對(duì)表觀遺傳進(jìn)行觀測(cè)和操縱。

在表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域，研究方法是目前還在不斷迭代的熱點(diǎn)領(lǐng)域。表觀遺傳學(xué)以染色質(zhì)為研究對(duì)象，解析染色質(zhì)的方法主要分為兩類(lèi)，一是以顯微鏡為基礎(chǔ)，直接觀察染色質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，二是結(jié)合高通量測(cè)序，直接或間接確定染色質(zhì)的序列、修飾和形態(tài)。

近十年來(lái)，在經(jīng)典方法基礎(chǔ)上，發(fā)展了一系列測(cè)序手段和顯微觀測(cè)手段，推動(dòng)了研究的進(jìn)步。在科研端，呈現(xiàn)三大發(fā)展趨勢(shì)，一是開(kāi)發(fā)更好的分子工具，從原理上提高精確度；二是向單細(xì)胞/少細(xì)胞、高通量、高信噪比發(fā)展；三是成像和測(cè)序相結(jié)合，同時(shí)提供序列和細(xì)胞空間定位等多維度信息。比如，我們觀察到DNA甲基化測(cè)序工具（如BS-seq、DM-seq等）、組蛋白修飾測(cè)序工具（如CUT&Tag）、染色質(zhì)可及性測(cè)序工具（如ATAC-see）在不斷迭代和普及。

在產(chǎn)業(yè)端，我們需要重點(diǎn)關(guān)注如何降低成本、解決臨床實(shí)際問(wèn)題。比如在IVD領(lǐng)域，基于表觀遺傳學(xué)的應(yīng)用還相對(duì)有限，主要集中在熒光原位雜交基因檢測(cè)，以及腫瘤基因DNA甲基化檢測(cè)。

06 表觀遺傳學(xué)如何為治療疑難病癥提供新視角？

生物生活的環(huán)境往往會(huì)潛移默化地影響基因的表達(dá)，從而改變生物的發(fā)育和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，與表觀遺傳修飾密切相關(guān)。同樣地，人類(lèi)也在以一種復(fù)雜的方式來(lái)感知環(huán)境。飲食習(xí)慣、慢性疾病、長(zhǎng)期吃藥、焦慮壓力、生活方式和居住區(qū)域等都可能會(huì)改變我們的個(gè)人基因表達(dá)。

而在疾病層面，腫瘤（分化障礙疾病）的耐藥性問(wèn)題、免疫系統(tǒng)功能疾病、神經(jīng)發(fā)育和退行性疾病的疾病過(guò)程也與這一機(jī)制有關(guān)。因此，表觀遺傳學(xué)的研究對(duì)于相關(guān)疾病的診療和藥物開(kāi)發(fā)具有啟發(fā)意義。

表觀修飾異常引起的疾病可分為兩類(lèi)，一類(lèi)由基因突變引起，另一類(lèi)由表觀突變引起，而基因沒(méi)有發(fā)生突變。

第一類(lèi)疾病是表觀修飾的功能蛋白和分子構(gòu)件（如非編碼RNA）的編碼基因突變，比如腫瘤和發(fā)育性疾病。我們?cè)谘芯看祟?lèi)疾病時(shí)，需要多關(guān)注突變基因，進(jìn)行有針對(duì)性的藥物開(kāi)發(fā)。

腫瘤可以被看做是一種細(xì)胞分化障礙性疾病，往往與DNA甲基化、組蛋白乙酰化等表觀修飾異常相關(guān)。因而，以DNA甲基化/去甲基化酶和組蛋白修飾酶作為靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)的藥物，理論上有更好的靶向性。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上，上述表觀遺傳修飾靶點(diǎn)相比轉(zhuǎn)錄因子，有更強(qiáng)的成藥性。因而近幾十年來(lái)吸引了大量藥企開(kāi)發(fā)化學(xué)靶向藥物。

根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)，截至2023年8月，已有2款針對(duì)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的藥物、5款針對(duì)組蛋白去乙酰化酶的藥物、1款針對(duì)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的藥物獲批上市。根據(jù)FDA（Food and Drug Administration，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局）和中國(guó)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局發(fā)布的藥物說(shuō)明書(shū)總結(jié)，針對(duì)組蛋白修飾酶靶點(diǎn)的藥物，在非聯(lián)用給藥的注冊(cè)性臨床試驗(yàn)中客觀緩解率一般在30%-35%，完全緩解率一般不足10%。以DNA甲基轉(zhuǎn)移酶為靶點(diǎn)的藥物，療效相對(duì)更弱一些。

針對(duì)表觀遺傳靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)藥物的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，雖然靶點(diǎn)蛋白在表觀修飾中的生化機(jī)制相對(duì)清晰，不過(guò)在細(xì)胞生物學(xué)和疾病生理方面可能存在其它機(jī)制，使得藥物脫靶作用相對(duì)難以避免，藥物優(yōu)化需要建立在進(jìn)一步生物/生理學(xué)研究基礎(chǔ)上。

值得一提的是，西達(dá)本胺是我國(guó)批準(zhǔn)上市的首個(gè)化學(xué)原創(chuàng)新藥，主要適應(yīng)癥為外周T細(xì)胞淋巴瘤，后擴(kuò)展至乳腺癌。西達(dá)本胺針對(duì)的是調(diào)控基因表達(dá)的關(guān)鍵酶HDAC，能夠抑制腫瘤細(xì)胞分裂、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，同時(shí)能減輕耐藥性產(chǎn)生。根據(jù)《西達(dá)本胺治療外周T細(xì)胞淋巴瘤中國(guó)專(zhuān)家共識(shí)（2018年版）》發(fā)布的臨床研究數(shù)據(jù)，接受西達(dá)本胺單藥治療的患者客觀緩解率為47%；聯(lián)合治療較單藥療效存在優(yōu)勢(shì)，研究顯示各種西達(dá)本胺的聯(lián)合方案的客觀緩解率在60%以上。

第二類(lèi)是表觀突變，一般指發(fā)育的重編程過(guò)程中，特定基因表觀修飾出現(xiàn)異常，而無(wú)基因序列突變，比如自身免疫疾病和神經(jīng)退行性疾病。多數(shù)此類(lèi)疾病致病因素復(fù)雜，涉及到年齡，自然環(huán)境甚至社會(huì)環(huán)境等與人體的交互作用等。而表觀遺傳研究為理解疾病機(jī)制、研發(fā)新的治療藥物，提供了新的視角。

自身免疫疾病源于免疫系統(tǒng)錯(cuò)誤地向健康組織發(fā)起攻擊，造成組織器官損傷。根據(jù)Glinda S. Cooper、Milele L.K. Bynum等學(xué)者的研究，目前已發(fā)現(xiàn)超過(guò)100種自身免疫系統(tǒng)疾病，威脅全球超過(guò)5億人的健康。研究表明，環(huán)境因素是自免疾病重要致病因素，其中表觀遺傳修飾DNA甲基化與自免疾病的發(fā)生與發(fā)展息息相關(guān)。

系統(tǒng)性紅斑狼瘡就是一種典型的自免疾病，主要特征為自身抗體大量產(chǎn)生和炎癥損害，影響多個(gè)器官和系統(tǒng)。近幾十年的研究證據(jù)表明，T細(xì)胞DNA病理性低甲基化，在疾病進(jìn)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。在動(dòng)物模型上，通過(guò)人工誘導(dǎo)DNA低甲基化，模擬相同的致病機(jī)制，可使正常T細(xì)胞發(fā)生特定免疫相關(guān)基因的表達(dá)激活，引發(fā)相似的癥狀。

另一種自免疾病銀屑病，是一種常見(jiàn)的慢性復(fù)發(fā)性炎癥性皮膚病，特征是肥厚性紅色斑塊以及銀白色鱗屑。研究發(fā)現(xiàn)，相比正常人皮膚，患者皮損組織全基因組DNA呈高甲基化。這種高甲基化狀態(tài)可能導(dǎo)致角質(zhì)形成細(xì)胞的增殖與分化過(guò)程發(fā)生廣泛改變，與患者皮損密切相關(guān)。

神經(jīng)退行性疾病指人腦、脊髓或外周神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元，隨著時(shí)間推移，失去功能、逐漸死亡的一類(lèi)疾病。阿爾茨海默癥（AD）、帕金森癥（PD）、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）等都屬于神經(jīng)退行性疾病。年齡增長(zhǎng)是影響神經(jīng)退行性疾病發(fā)生的重要風(fēng)險(xiǎn)因素之一。人在衰老過(guò)程中，染色體結(jié)構(gòu)會(huì)改變，這種變化是腦功能衰退的重要誘因之一。

隨著人口老齡化和平均壽命延長(zhǎng)，未來(lái)幾十年，將會(huì)有更多的人受到神經(jīng)退行疾病影響。阿爾茨海默癥（AD）是65歲以上老年人癡呆的主要原因，患者出現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶等認(rèn)知障礙。研究表明，阿爾茲海默癥的發(fā)生與組蛋白修飾異常相關(guān)。過(guò)世后的AD患者大腦海馬區(qū)樣本顯示組蛋白去乙酰化酶（HDAC2）水平上調(diào)。用小鼠試驗(yàn)來(lái)模擬AD患者病情，也能看到，如果HDAC2水平上調(diào)，小鼠海馬突觸功能受損；相反如果HDAC2水平下調(diào)，可增強(qiáng)海馬突觸密度，從而減輕記憶障礙。/ 07 / 表觀遺傳領(lǐng)域，會(huì)出現(xiàn)下一個(gè)“華大基因”嗎？

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，基因組學(xué)是能夠和表觀遺傳學(xué)作比較的學(xué)科之一?；蚪M學(xué)領(lǐng)域誕生了Illumina、華大基因等等成功的公司。對(duì)比來(lái)看，我們相信，表觀遺傳學(xué)也同樣有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

第一，從復(fù)雜性看，基因組學(xué)關(guān)注DNA序列，表觀遺傳研究的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)則是更復(fù)雜的體系。如果說(shuō)DNA研究的是一維的排列組合，表觀遺傳研究的內(nèi)容既包括一維的修飾，還包括二維的相互作用以及三維的空間結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)定位。

第二，從思路上，表觀遺傳關(guān)注細(xì)胞可塑性?；蚪M學(xué)關(guān)注比較穩(wěn)定的“基因注釋”，表觀遺傳更加突出“動(dòng)態(tài)”和“適應(yīng)”，更加貼近腫瘤、退行性疾病等疾病的生理特征。未來(lái)，表觀遺傳學(xué)或許能夠給人們帶來(lái)更多新的發(fā)現(xiàn)。

第三，表觀遺傳學(xué)的檢測(cè)手段更加豐富。除了測(cè)序，表觀遺傳學(xué)還能通過(guò)影像學(xué)方法，提供更多維度的信息，提高臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化的可能性。/ 08 / 表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域，有哪些創(chuàng)業(yè)投資機(jī)會(huì)？

未來(lái)，表觀遺傳學(xué)會(huì)有怎樣的發(fā)展前景？

首先，表觀遺傳修飾提供了細(xì)胞的可塑性，即個(gè)體對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)能力和適應(yīng)速度。從這個(gè)意義上，表觀遺傳學(xué)在腫瘤、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫系統(tǒng)疾病等關(guān)乎代謝、分化障礙的疾病上會(huì)有不錯(cuò)的發(fā)展前景。

從整體行業(yè)看，表觀遺傳領(lǐng)域仍處于發(fā)展早期。進(jìn)展基本集中在高校，產(chǎn)業(yè)端轉(zhuǎn)化相對(duì)較少。應(yīng)用主要集中在科研測(cè)試市場(chǎng)，臨床檢測(cè)內(nèi)容和方法學(xué)有限，藥物開(kāi)發(fā)主要建立在相關(guān)性關(guān)系上。為避免盲人摸象、以偏概全，新的應(yīng)用轉(zhuǎn)化應(yīng)從更宏觀的角度，理解表觀遺傳技術(shù)和規(guī)律對(duì)于生物體系的影響。比如，關(guān)注整體染色質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)控（而不是單一基因甲基化狀態(tài)的改變），關(guān)注全部miRNA的豐度調(diào)控（而不是單一miRNA的豐度變化）等等。

在科研端，新的測(cè)試工具和方法仍將不斷涌現(xiàn)，向單細(xì)胞、高通量方向發(fā)展。這些新方法、新工具可能將顯著降低成本。表觀遺傳學(xué)是一種“組”學(xué)，但不僅只有一維序列，也包含二維染色體聯(lián)結(jié)頻率和三維的空間構(gòu)象與細(xì)胞內(nèi)定位，在更高、更多的維度上發(fā)現(xiàn)規(guī)律，可能將成為研究趨勢(shì)。

在臨床側(cè)，表觀遺傳學(xué)與個(gè)體適應(yīng)性密切相關(guān)。檢測(cè)與診斷上，值得關(guān)注并探索的方向包括根據(jù)表觀遺傳的測(cè)序結(jié)果，指導(dǎo)用藥或聯(lián)合用藥方案，以及通過(guò)表觀修飾，進(jìn)行腫瘤、自免等疾病的早期篩選。

藥物研發(fā)上，基于表觀遺傳學(xué)靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)藥物仍然存在機(jī)會(huì)。目前的挑戰(zhàn)在于，我們對(duì)靶點(diǎn)關(guān)聯(lián)疾病的特異性的研究相對(duì)不足。人們相對(duì)清晰地了解了表觀修飾的生化作用，但還未充分闡釋靶點(diǎn)的細(xì)胞學(xué)作用和疾病病理。在臨床上，我們?nèi)匀缓茈y優(yōu)化既有表觀遺傳靶點(diǎn)藥物的有效性和安全性，很有必要繼續(xù)探索背后的細(xì)胞生物學(xué)機(jī)制。

目前，我們發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)有一些值得探索的方向，比如結(jié)合表觀遺傳調(diào)控個(gè)體適應(yīng)性的觀點(diǎn)，研究這些靶點(diǎn)在諸如腫瘤耐藥性形成中的關(guān)鍵作用，依此設(shè)計(jì)聯(lián)用藥物，提高腫瘤對(duì)于治療藥物的敏感性，延緩耐藥形成的時(shí)間。再比如，我們或許可以通過(guò)聯(lián)合其它細(xì)胞調(diào)控元件，提高表觀遺傳靶點(diǎn)藥物特異性，從而助力開(kāi)發(fā)靶向物種間相互作用（如蛋白-蛋白相互作用）的藥物。

未來(lái)，我們將繼續(xù)關(guān)注表觀遺傳學(xué)在科研和產(chǎn)業(yè)端的發(fā)展，也將持續(xù)探索其它尚在成長(zhǎng)中、有較高發(fā)展?jié)摿Φ纳茖W(xué)細(xì)分領(lǐng)域，做正確而非容易的事。