表觀遺傳學 httpswwwtermonlinecnword14857850683863982131又譯表徵遺傳學、表遺傳學（舊譯名有擬遺傳學、外遺傳學、後遺傳學等），屬於生物學和遺傳學的分支學科，其研究範疇為：在 非 DNA 序列變化 情況下，遺傳資訊透過某些機制或途徑傳遞給子代 Spector Tim 2012 Identically Different Why You Can Change Your Genes London Weidenfeld Nicolson p 8 Just over ten years ago researchers found that the diets of pregnant mothers could alter the behaviour of genes in their children and that these changes could last a lifetime and then be passed on in turn to their children The genes were literally being switched on or off by a new mechanism we call epigenetics meaning in Greek around the gene Contrary to traditional genetic dogma these changes could be transferred to the next generation In this case the mothers just happened to be rats but recent similar findings in humans have created a revolution in our thinking 。 表觀遺傳現象的機制或途徑，包括 DNA 甲基化、、RNA 干擾、核小體定位、染色質構象改變、染色質重塑、組蛋白修飾，長非編碼 RNA 序列等。與經典遺傳學以研究基因序列影響生物學功能為核心相比，表觀遺傳學主要研究這些 表觀遺傳現象 建立和維持的機制。其研究內容主要包括兩類，一類為基因選擇性轉錄表達的調控，有 DNA 甲基化、基因印記、組蛋白共價修飾和染色質重塑；另一類為基因轉錄後的調控，包括基因組中非編碼 RNA、微小 RNA、反義 RNA、內含子及核糖開關等。 表觀遺傳學是 1980 年代逐漸興起的一門學科，是在研究與經典的孟德爾遺傳學遺傳法則不相符的許多生命現象過程中逐步發展起來的。 表觀遺傳學研究的是：基因組相關功能改變而不涉及核苷酸序列變化。例如 DNA 甲基化和組蛋白修飾，兩者均能在不改變 DNA 序列的前提下調節基因的表達；阻遏蛋白透過結合沉默基因區域從而控制基因的表達。這些變化可能透過細胞分裂而得以保留，並且可能持續幾代。這些變化都僅是非基因因素導致的生物體基因表現（或 自我表達）的不同 Bird A May 2007 Perceptions of epigenetics Nature 447 7143 3968 doi101038nature05913 PMID 17522671 ，由於目前尚不清楚組蛋白的化學修飾是否可遺傳，有人對於用此術語描述組蛋白化學修飾提出了異議 Special report What genes remember by Philip Hunter Prospect Magazine May 2008 issue 146 Webarchiveorg 20080501 Retrieved 20120726 Ledford H 2008 Disputed definitions Nature 455 7216 10238 PMID 18948925。 表觀遺傳學在真核生物中主要表現在細胞分化過程。在形態發生過程中，全能幹細胞將分化成完全不同的細胞，也就是說，一個受精卵分化出各種不同型別的細胞，包括神經細胞、肌肉細胞、上皮細胞、血管內皮細胞等，並透過抑制其他細胞和啟用相關基因而進行持續的細胞分裂 Reik W May 2007 Stability and flexibility of epigenetic gene regulation in mammalian development Nature 447 7143 42532 doi101038nature05918 PMID 17522676。 2011 年的相關研究已證實，mRNA 甲基化對人體內發揮著至關重要的作用，對 RNA 上的苷進行脫甲基化可控制 FTO 基因相關肥胖症，並因此而開創了 RNA 表觀遺傳學的相關領域 Jia Guifang Fu Ye Zhao Xu Dai Qing Zheng Guanqun Yang Ying Yi Chengqi Lindahl Tomas Pan Tao Yang YunGui He Chuan 16 October 2011 N6Methyladenosine in nuclear RNA is a major substrate of the obesityassociated FTO Nature Chemical Biology 7 12 885887 doi101038nchembio687 PMC 3218240 PMID 22002720 New research links common RNA modification to obesity Physorgcom Retrieved 20120726。 詞源和定義 由於表觀遺傳學定義有多種，導致了在表觀遺傳學代表什麼這一問題上出現了分歧。表觀遺傳學由 CH 沃丁頓於 1942 年作為後生論和遺傳學的合詞而提出 Waddington CH 1942 The epigenotype Endeavour 1 1820。 後生論是一個很古老的概念 According to the Oxford English Dictionary The word is used by W Harvey Exercitationes 1651 p 148 and in the English Anatomical Exercitations 1653 p 272 It is explained to meanpartium superexorientium additamentum，the additament of parts budding one out of another It is also worth quoting this adumbration of the definition given there viz The formation of an organic germ as a new product theory of epigenesis the theory that the germ is brought into existence by successive accretions and not merely developed in the process of reproduction The opposite theory was formerly known as thetheory of evolution to avoid the ambiguity of this name it is now spoken of chiefly as thetheory of preformation sometimes as that ofencasementoremboîtement，現在更多的用於描述胚胎髮育過程中的細胞分化源自幹細胞的。當沃丁頓提出這一詞語時，人們對基因的物理性質及其在遺傳中的作用還不清楚，使用該詞語是表示，基因可能與環境相互作用，併產生表現型的概念。Robin Holliday 將表觀遺傳學定義為 在複雜有機體的發育過程中，對基因活性在時間和空間中調控機制的研究Holliday R November 1990 Mechanisms for the control of gene activity during development Biol Rev Camb Philos Soc 65 4 43171 PMID 2265224 。因此，後生論也可用於描述任何影響有機體發育的因素，而不僅僅是 DNA 序列。 現在科學界對錶觀遺傳學有了更嚴格的定義。Arthur Riggs 及其同事將其定義為，有關引起可遺傳的基因功能改變的有絲分裂和 或減數分裂的研究，這些變化以 DNA 序列改變無法解釋 Riggs AD Russo VEA Martienssen RA 1996 Epigenetic mechanisms of gene regulation Plainview NY Cold Spring Harbor Laboratory Press ISBN 0879694904 。表觀遺傳學的希臘語字首 epi 意味著 在 之上 或 除 之外，因此表觀遺傳學的特徵是傳統的分子水平遺傳之上或之外的遺傳。 表觀遺傳學 也被用於描述還未證實的組蛋白修飾的遺傳過程，因此可嘗試用更廣義的術語來重新定義。例如，阿德里安伯德將表觀遺傳學定義為，染色體的構造適應，以便啟始、發出訊號或保持變構的活性狀態 Bird A May 2007 Perceptions of epigenetics Nature 447 7143 3968 doi101038nature05913 PMID 17522671 。這個定義既包括涉及 DNA 修復或細胞週期的瞬態改變，也包括多代細胞的穩態改變，但是不包含細胞膜結構和朊病毒，除非其影響到染色體功能。但這樣的定義並不被普遍接受並仍然受到爭議 Ledford H 2008 Disputed definitions Nature 455 7216 10238 PMID 18948925 2008 年的冷泉港會議達成了關於表觀遺傳學的共識，即 由染色體改變所引起的穩定的可遺傳的表現型，而非 DNA 序列的改變Ledford H 2008 Disputed definitions Nature 455 7216 10238 PMID 18948925 。 與 遺傳學 相似的詞衍生出很多平行的用法。表觀基因組 是 基因組 的平行詞，指的是一個細胞的整體表觀遺傳狀態。遺傳密碼 與 表觀遺傳密碼 對應，用於描述不同細胞產生不同表現型的一系列表觀遺傳特徵。表觀遺傳密碼 可代表細胞的總體狀態，按每個分子在表觀遺傳地圖上所佔的位置，可得出 DNA 甲基化和組蛋白修飾狀態的特定基因組區域的基因表達圖表。更典型的是，這個詞用於提及和評估特定的系統性措施，如組蛋白編碼或 DNA 甲基化模型相關的表觀遺傳學形式。 心理學家 Erik Erikson 在其著作中提到 後生論，認為後生規則是 任何生長的事物都有一個平面圖，在這個圖之外各個部分先後出現，而每個部分都有其特定的優勢期，直至所有的部分出現從而形成一個功能整體。Erikson Erik 1968 Identity Youth and Crisis Chapter 3 WW Norton and Company Inc p 92 個用法有一定的歷史價值 Epigenetics BioMedicineorg Retrieved 20110521 。 表觀遺傳學的分子基礎 表觀遺傳的改變可以導致特定基因的啟用，而不必改變 DNA 序列。此外，染色質蛋白與 DNA 相關聯可能被啟用或沉默。這是不同的細胞在多細胞有機體中只表達其活動必需基因的原因。當細胞進行分裂時，表觀遺傳的變化得以儲存。 大多數表觀遺傳變化只發生在生物個體的一生中，但是，如果形成受精卵的精子或卵細胞發生了基因失活，那麼這種表觀遺傳變化將被傳遞給下一代 Chandler VL February 2007 Paramutation from maize to mice Cell 128 4 6415 doi101016jcell200702007 PMID 17320501。由此拉馬克學說提出了一個問題：這種生物體表觀遺傳的變化是否可改變 DNA 的基本結構。 特殊的表觀遺傳過程包括副突變、書籤、基因組銘印、基因沉默、X 染色體去活化、位置效應、重構、縮並、母體效應、致癌過程、致畸劑影響、組織蛋白修飾及異染色質的調控，最後是受技術侷限的單性生殖及克隆。 DNA 損傷也會導致表觀遺傳變化 Kovalchuk O Baulch JE 2008 Epigenetic changes and nontargeted radiation effectsis there a link Environ Mol Mutagen 49 11625 doi 101002em20361 PMID 18172877 Ilnytskyy Y Kovalchuk O 2011 Nontargeted radiation effectsan epigenetic connection Mutat Res 714 12113125 doi 101016jmrfmmm201106014 Review PMID 21784089 Friedl AA Mazurek B Seiler DM 2012 Radiationinduced alterations in histone modification patterns and their potential impact on shortterm radiation effects Front Oncol 2117 doi 103389fonc201200117 PMID 23050241 。DNA 損傷發生頻繁，人體平均每天會發生 10000 次。這些損傷大部分被修復，但在 DNA 修復時仍然可能發生表觀遺傳變化 Cuozzo C Porcellini A Angrisano T Morano A Lee B Di Pardo A Messina S Iuliano R Fusco A Santillo MR Muller MT Chiariotti L Gottesman ME Avvedimento EV 2007 DNA damage homologydirected repair and DNA methylation PLoS Genet 3 7e110 PMID 17616978 。尤其是雙鏈 DNA 的斷裂可能會引起未程式設計的表觀遺傳基因沉默，導致 DNA 甲基化和促進沉默蛋白質組的修飾（染色質重構）OHagan HM Mohammad HP Baylin SB Double strand breaks can initiate gene silencing and SIRT1dependent onset of DNA methylation in an exogenous promoter CpG island PLoS Genet 20084 8 e1000155 PMID 18704159 。此外，多聚二磷酸腺苷核糖酶（Parp1 酶）及其產物多聚二磷酸腺苷核糖（PAR）在修復過程中會積聚 DNA 的損傷 Malanga M Althaus FR 2005 The role of poly ADPribose in the DNA damage signaling network Biochem Cell Biol 83 3354364 Review PMID 15959561 。這種累積，反過來，直接補充和啟用染色質重塑蛋白 ALC1 進而導致核小體的重構 Gottschalk AJ Timinszky G Kong SE Jin J Cai Y Swanson SK Washburn MP Florens L Ladurner AG Conaway JW Conaway RC 2009 Poly ADPribosyl ation directs recruitment and activation of an ATPdependent chromatin remodeler Proc Natl Acad Sci U S A 106 33137704 doi 101073pnas0906920106 PMID 19666485 PubMed indexed for MEDLINE PMCID PMC2722505 。而核小體的重構會導致 DNA 修復基因 MLH1 的沉默 Lin JC Jeong S Liang G Takai D Fatemi M Tsai YC Egger G GalYam EN Jones PA 2007 Role of nucleosomal occupancy in the epigenetic silencing of the MLH1 CpG island Cancer Cell 12 5432444 PMID 17996647 。能造成 DNA 損傷的化學物質，如苯、對苯二酚、苯乙烯、四氯化碳和三氯乙烯，可透過啟用氧化應激通路導致大量的 DNA 低甲基化 Tabish AM Poels K Hoet P Godderis L 2012 Epigenetic factors in cancer risk effect of chemical carcinogens on global DNA methylation pattern in human TK6 cells PLoS One 7 4e34674 doi 101371journalpone0034674 PMID 22509344 。 不同飲食影響老鼠表觀遺傳變化 27。一些食物成分可增加 DNA 修復酶、MGMT、MLH1Burdge GC Hoile SP Uller T Thomas NA Gluckman PD Hanson MA Lillycrop KA 2011 Progressive transgenerational changes in offspring phenotype and epigenotype following nutritional transition PLoS One 6 11e28282 doi 101371journalpone0028282 PMID 22140567 和 p53Fang M Chen D Yang CS 2007 Dietary polyphenols may affect DNA methylation J Nutr 137 1 Suppl223S228S PMID 17182830 和 p53 Olaharski AJ Rine J Marshall BL Babiarz J Zhang L Verdin E Smith MT 2005 The flavoring agent dihydrocoumarin reverses epigenetic silencing and inhibits sirtuin deacetylases PLoS Genet 1 6e77 PMID 16362078 PubMed indexed for MEDLINE PMCID PMC1315280 Kikuno N Shiina H Urakami S Kawamoto K Hirata H Tanaka Y Majid S Igawa M Dahiya R 2008 Genistein mediated histone acetylation and demethylation activates tumor suppressor genes in prostate cancer cells Int J Cancer 123 3552560 doi 101002ijc23590 PMID 18431742 ）的水平，另一些食物成分如大豆異黃酮 Davis JN Kucuk O Djuric Z Sarkar FH 2001 Soy isoflavone supplementation in healthy men prevents NFkappa B activation by TNFalpha in blood lymphocytes Free Radic Biol Med 30 1112931302 PMID 11368927 Djuric Z Chen G Doerge DR Heilbrun LK Kucuk O 2001 Effect of soy isoflavone supplementation on markers of oxidative stress in men and women Cancer Lett 172 116 PMID 11595123 和花青素 Kropat C Mueller D Boettler U Zimmermann K Heiss EH Dirsch VM Rogoll D Melcher R Richling E Marko D 2013 Modulation of Nrf2dependent gene transcription by bilberry anthocyanins in vivo Mol Nutr Food Res doi 101002mnfr201200504 Epub ahead of print PMID 23349102 降低 DNA 損傷。 表觀遺傳研究廣泛使用分子生物學技術，如染色質免疫沉澱、熒光原位雜交法、甲基化敏感限制酶、DNA 腺嘌呤甲基轉移酶識別、亞硫酸鹽定序等，從而幫助人們更深入地理解表觀遺傳現象。此外，生物資訊學也發揮著越來越重要的作用（計算表觀遺傳學）。計算機模擬和分子動力學方法揭示了原子運動與組蛋白尾端變構分子的識別有關Baron R 2012 LSD1CoREST is an allosteric nanoscale clamp regulated by H3histonetail molecular recognition Proc Natl Acad Sci U S A 109 31 1250914 doi101073pnas1207892109 PMID 22802671 。 機制 一些型別的表觀遺傳系統在細胞記憶中可能扮演重要角色 Jablonka E Lamb MJ Lachmann M September 1992 Evidence mechanisms and models for the inheritance of acquired characteristics J Theor Biol 158 2 245268 doi101016S00225193 05 807222 ，然而需注意的是，並不是所有的表觀遺傳學例子都能被普遍接受。 DNA 甲基化和染色質重構 細胞核個體的表現型受到自身基因轉錄的影響，因此可遺傳的轉錄能提高表觀遺傳效應。基因表達分多層調控，基因調控的一種途徑是透過染色質重構。染色質是 DNA 和組蛋白結合的複合體，DNA 纏繞著組蛋白球體，若 DNA 纏繞組蛋白的方式發生改變，基因表達也將改變。染色質重構透過以下兩個主要機制完成： 第一條途徑是組成組蛋白的氨基酸的平移修改。組蛋白由長鏈氨基酸構成，如果鏈中的氨基酸改變，組蛋白的形態將發生改變。複製期間的 DNA 並非完全解鏈，因此，經過修改的組蛋白可能被用於每個新複製的 DNA，這些組蛋白將作為模板，以新的方式合成新形態的組蛋白。透過改變周圍蛋白的形態，這些修改的組蛋白將確保分化的細胞保持分化狀態，而不是重新回到幹細胞狀態。 第二條途徑是透過增加位於 CpG 島上的 DNA 的甲基，使胞嘧啶轉化為 5 甲基胞嘧啶。5 甲基胞嘧啶同正常的胞嘧啶一樣與鳥嘌呤配對，然而，基因組某些區域的甲基化較多，甲基化較高的區域透過不完全清楚的機制使得轉錄的活力減小。甲基化的胞核嘧啶也可以從父母一方的生殖細胞保留在受精卵中，標記染色體遺傳自雙親（遺傳印記）。 細胞分化過程中 DNA 甲基化將導致組蛋白性狀的變化。某些酶（如 DNMT1 ）對甲基化胞嘧啶有較高的親和力。如果這種酶達到 DNA 的 半甲基化 部分（兩條 DNA 鏈中只有一個甲基胞嘧啶），這種酶將催化另一部分。 雖然組蛋白修飾發生在整個序列中，非結構化的 N 末端的蛋白（稱為組蛋白尾端）特別容易被修改。這些修改包括乙醯化，甲基化，泛素化，磷酸化和修飾作用。乙醯化是這些修飾中研究得最多的。例如，組蛋白 H3 尾部的 K14 和 K9 賴氨酸被組蛋白乙醯轉移酶（HATs）乙醯化通常與轉錄能力有關。 有人認為這種與 啟用的 轉錄有關的乙醯化傾向於是一種生物物理學改變。因為通常在組蛋白末端有一個帶正電荷的氮，賴氨酸可以與 DNA 主鏈帶負電荷的磷酸鹽結合。乙醯化使側鏈上帶正電荷的氨基團變成中性的醯胺鍵。正電荷的去除，使 DNA 從組蛋白上解開。這時，SWISNF 和其他轉錄因子複合體就可以結合到 DNA 上使轉錄開始。這是表觀遺傳作用的 順式 模型。就是說，組蛋白尾部改變對於 DNA 本身有一種直接效應。 另一種表觀遺傳作用模型是 反式 模型。在這個模型中，組蛋白尾部改變對 DNA 起間接作用。例如，賴氨酸乙醯化可以為染色質修飾酶（和基礎轉錄裝置）產生一個結合位點，然後該染色質重構體導致染色質狀態改變。實際上，布羅莫結構域 一個特異性與乙醯 賴氨酸結合的蛋白片段（域） 發現其幫助很多酶啟用轉錄，包括 SWISNF 複合體（在 polybromo 蛋白上）。乙醯化可能作用於此和之前的途徑而幫助轉錄啟用。 組蛋白甲基化也證實了由相關因素導致的對接模組作為一種修飾方式的推斷。組蛋白 H3 賴氨酸 9 的甲基化與組成型轉錄沉默染色質（組成型異染色質）有關。已確定轉錄阻遏蛋白 HP1 的一個染色質域（特異性結合甲基 賴氨酸的域）在 HP1 到 K9 的甲基化區域發揮作用。而一個看起來像反駁甲基化的生物物理學模型，賴氨酸 4 上的組蛋白 H3 的三甲基化與轉錄啟用強相關（且完全需要）。三甲基化將在組蛋白尾部引進一個固定正電荷。 已研究證明，組蛋白賴氨酸轉甲基酶（KMT）在組蛋白 H3 和 H4 模式中負責甲基化啟用。該酶利用一個叫 SET 域（Suppressor of variegation，zeste 增強子，Trithorax）的催化活性位點。SET 域是一個 130 個氨基酸的序列，參與調控基因活化。已證實其可與組蛋白尾部結合，導致組蛋白甲基化。Jenuwein T Laible G Dorn R Reuter G January 1998 SET domain proteins modulate chromatin domains in eu and heterochromatin Cell Mol Life Sci 54 1 8093 doi101007s000180050127 PMID 9487389 不同的組蛋白修飾可能透過不同的方式起作用；一個位置的乙醯化可能比另一個位置的乙醯化發揮更加不同的作用。另外，同時可以發生多重修飾，這些修飾可以一起工作來改變核小體的行為。多重動態修飾以一種系統的和可繁殖的方式調節基因轉錄叫做組蛋白密碼。 DNA 甲基化 DNA 甲基化頻繁發生於重複序列，幫助抑制表達和 轉座子 的流動性：：Slotkin RK Martienssen R April 2007 Transposable elements and the epigenetic regulation of the genome Nat Rev Genet 8 4 27285 doi101038nrg2072 PMID 17363976 由於 5 甲基胞嘧啶可以自發脫氨基（用氧替代氮）變成胸苷，除了 CpG 島保持未甲基化外，CpG 位點經常發生變化，其在基因組中逐漸變得稀少，。因此這種型別的表觀遺傳改變具有直接增加永久的基因突變頻率的潛力。已知 DNA 甲基化透過至少三個獨立的 DNA 甲基轉移酶的複雜的相互作用而對環境因子做出反應，從而使其得以建立和修改，DNMT1，DNMT3A 和 DNMT3B，其中任何一個缺失對於小鼠都是致命的。DNMT1 在體細胞中是最多的轉甲基酶， Li E Bestor TH Jaenisch R June 1992 Targeted mutation of the DNA methyltransferase gene results in embryonic lethality Cell 69 6 91526 doi10101600928674 92 90611F PMID 1606615 Robertson KD Uzvolgyi E Liang G Talmadge C Sumegi J Gonzales FA Jones PA June 1999 The human DNA methyltransferases DNMTs 1 3a and 3b coordinate mRNA expression in normal tissues and overexpression in tumors Nucleic Acids Res 27 11 22918 doi101093nar27112291 PMC 148793 PMID 10325416 侷限在複製中心。Leonhardt H Page AW Weier HU Bestor TH November 1992 A targeting sequence directs DNA methyltransferase to sites of DNA replication in mammalian nuclei Cell 71 5 86573 doi10101600928674 92 90561P PMID 1423634 對於半甲基化的 DNA 具有 1040 倍的優先權，並與增殖細胞核抗原（PCNA）發生相互作用。Chuang LS Ian HI Koh TW Ng HH Xu G Li BF September 1997 Human DNAcytosine5 methyltransferasePCNA complex as a target for p21WAF1 Science 277 5334 19962000 doi101126science27753341996 PMID 9302295 透過優先修飾半甲基化的 DNA，DNMT1 在 DNA 複製後將甲基化模式轉移給一條新的合成鏈，因此經常作為 維持 甲基轉移酶被提及。Robertson KD Wolffe AP October 2000 DNA methylation in health and disease Nat Rev Genet 1 1 119 doi10103835049533 PMID 11262868 DNMT1 對於適當的胚胎髮育、印刻銘記和 X 失活是必需的。Li E Bestor TH Jaenisch R June 1992 Targeted mutation of the DNA methyltransferase gene results in embryonic lethality Cell 69 6 91526 doi10101600928674 92 90611F PMID 1606615 Li E Beard C Jaenisch R November 1993 Role for DNA methylation in genomic imprinting Nature 366 6453 3625 doi101038366362a0 PMID 8247133 為了強調這個遺傳分子機制與權威的瓦特生 克里克遺傳資訊的鹼基配對遺傳機制的區別，引進了 表觀遺傳模板 這個術語。Viens A et al Analysis of human histone H2AZ deposition in vivo argues against its direct role in epigenetic templating mechanisms Mol Cell Biol 2006 26 145325351 此外，除了維持和傳送甲基化 DNA 狀態，相同的原理也能作用於保持和傳送組蛋白修飾，甚至細胞質（結構上）的遺傳狀態。Ogryzko VV Erwin Schroedinger Francis Crick and epigenetic stability Biol Direct 2008 Apr 17315 2 doi 10118617456150315 在無脊椎動物研究裡，以蜜蜂為模型，研究表明 DNA 甲基化影響蜜蜂基因組的替代剪下機理，從而影響基因的調節 LiByarlay et al RNA interference knockdown of DNA methyltransferase 3 affects gene alternative splicing in the honey bee Proceedings of the National Academy of Sciences 110 31 1275012755 httpsdoiorg101073pnas1310735110 。2020 發表的研究還表明受病毒感染的蜜蜂蛹的 DNA 甲基化會影響和調節免疫基因的表達。 LiByarlay et al 2020 Transcriptomic and epigenomic dynamics of honey bees in response to lethal viral infection Frontiers in genetics 11 1056 httpsdoiorg103389fgene2020566320 很多綜述也總結了 DNA 甲基化在社會性昆蟲的分子機制和功能。 LiByarlay The Function of DNA Methylation Marks in Social Insects Front Ecol Evol 19 May 2016 Sec Social Evolution Volume 4 2016 httpsdoiorg103389fevo201600057 Wang LiByarlay Chapter TwoPhysiological and Molecular Mechanisms of Nutrition in Honey Bees 2015 Advances in Insect Physiology 49 2558 httpswwwsciencedirectcomsciencearticleabspiiS0065280615000259 RNA 甲基化 RNA 甲基化（RNA methylation）是指在 RNA 分子中新增一個甲基基團的修飾過程，主要包括 N6 甲基腺嘌呤（N6methyladenosine，m6A）修飾。這種修飾在近年來引起了廣泛關注，因為它在基因表達和細胞過程中具有調控作用。有研究表明 RNA 甲基化和蜜蜂的攻擊行為有關，而且是透過改變父系或母系基因的 RNA 甲基化。 Bresnahan et al Examining parentoforigin effects on transcription and RNA methylation in mediating aggressive behavior in honey bees Apis mellifera BMC Genomics volume 24 Article number 315 2023 httpsdoiorg101186s12864023094114 組蛋白修飾 組蛋白 H3 和 H4 也能利用組蛋白賴氨酸脫甲基酶（KDM），透過反甲基化而調節。這個最近被確認的酶有一個叫 Jumonji 域（JmjC）的催化活性位點。當 JmjC 使用多個輔助因子使甲基團羥基化時，發生了反甲基化，由此除去甲基。JmjC 能夠對單、雙和三甲基化底物進行脫甲基。Nottke A Colaiácovo MP Shi Y March 2009 Developmental roles of the histone lysine demethylases Development 136 6 87989 doi101242dev020966 PMC 2692332 PMID 19234061 染色體區域能夠採用穩定的和可遺傳的二選一的狀態導致無 DNA 序列變化的雙穩態的基因表達。表觀遺傳控制經常與非正統的組蛋白共價修飾有關。Rosenfeld JA Wang Z Schones DE Zhao K DeSalle R Zhang MQ 2009 Determination of enriched histone modifications in nongenic portions of the human genome BMC Genomics 10 143 doi1011861471216410143 PMC 2667539 PMID 19335899 的染色體區域的穩定性和遺傳性狀態經常被認為包含正反饋，在那裡被修飾的核小體動員酶對附近的核小體進行類似的修飾。這一發現證實了表觀遺傳學的一種簡化隨機模型。Epigenetic cell memory Cmolnbidk Retrieved 20120726 Dodd IB Micheelsen MA Sneppen K Thon G May 2007 Theoretical analysis of epigenetic cell memory by nucleosome modification Cell 129 4 81322 doi101016jcell200702053 PMID 17512413 由於 DNA 甲基化和染色質重塑在很多表觀遺傳型別中發揮著核心作用，表觀遺傳 這個詞有時被用來作為這些過程的一個同義詞。然而，這可能是有誤導性。染色質重塑不一定遺傳，而且不是所有的表觀遺傳都包括染色質重塑。Ptashne M April 2007 On the use of the word epigenetic Curr Biol 17 7 R2336 doi101016jcub200702030 PMID 17407749 有人認為組蛋白密碼能夠被小 RNA 的作用所調節。最近發現和界定的一種大量的小的（21 到 26nt）非編碼 RNA，提示有一種 RNA 組分可能參與表觀基因調控。小干擾 RNA 能透過靶啟動子的表觀遺傳調節來調節轉錄基因表達。Morris KL 2008 Epigenetic Regulation of Gene Expression RNA and the Regulation of Gene Expression A Hidden Layer of Complexity Norfolk England Caister Academic Press ISBN 1904455255 RNA 轉錄本及其編碼蛋白 有時，一個基因被髮動後轉錄成保持該基因活性的產物（直接或間接）。例如，Hnf4 和 MyoD 透過編碼蛋白的轉錄因子活性而分別加強很多肝臟和肌肉特異性基因的轉錄，包括它們自己的轉錄。RNA 訊號傳輸包括有區別的募集同層次的一般染色質修飾複合體和在分化及發展中透過 RNA 使 DNA 轉甲基酶到特定的位點。Mattick JS Amaral PP Dinger ME Mercer TR Mehler MF January 2009 RNA regulation of epigenetic processes BioEssays 31 1 519 doi101002bies080099 PMID 19154003 其他表觀遺傳變異由 RNA 不同粘接形式的產物或雙鏈 RNA（RNAi）的形成來介導。即使基因活化的原始刺激已經不存在，基因被髮動的細胞的後代也將繼承這種活性。這些基因對一些系統合胞體或縫隙連線很重要，常常被訊號轉導開啟或關閉，，RNA 可以透過擴散直接傳播到其他細胞或細胞核中。大量 RNA 和蛋白透過母親卵子形成過程或透過足細胞促成受精卵，導致母體效應的表型。少量精子 RNA 來自於父親，但最近證明該表觀遺傳資訊能導致幾代後代的明顯改變。Choi CQ 20060525 The Scientist RNA can be hereditary molecule The Scientist Retrieved 2006 微 RNA 微 RNA（miRNA）是非編碼 RNA 的成員，大小範圍從 17 到 25 個核苷酸。正如王等研究的， Wang Z Yao H Lin S Zhu X Shen Z Lu G Poon WS Xie D Lin MC Kung HF 2012 Transcriptional and epigenetic regulation of human microRNAs Cancer Lett 331 1110 doi 101016jcanlet201212006 PMID 3246373 微 RNA 調節植物和動物各種各樣的生物功能。迄今為止，2013 年在人類中以發現大約有 2000 種微 RNA，都可以在線上微 RNA 資料庫中找到。在細胞中表達的每一種微 RNA 可靶向約 100 到 200 種由其下調的信使 RNA。Lim LP Lau NC GarrettEngele P Grimson A Schelter JM Castle J Bartel DP Linsley PS Johnson JM 2005 Microarray analysis shows that some microRNAs downregulate large numbers of target mRNAs Nature 433 7027769773 PMID 15685193 多數信使 RNA 的下調透過靶向信使，使 RNA 發生衰退，另一些下調發生在翻譯成蛋白的水平。Lee D Shin C 2012 MicroRNAtarget interactions new insights from genomewide approaches Ann N Y Acad Sci 127111828 doi 101111j17496632201206745x Review PMID 23050973 大約 60 的人類蛋白編碼基因由微 RNA 調節。Friedman RC Farh KK Burge CB Bartel DP 2009 Most mammalian mRNAs are conserved targets of microRNAs Genome Res 19 192105 doi 101101gr082701108 PMID 18955434 很多微 RNA 由表觀遺傳調控。約 50 的微 RNA 基因與 CpG 島有關，其可能被表觀遺傳甲基化抑制。來自甲基化的 CpG 島的轉錄被強烈抑制並可遺傳。Goll MG Bestor TH 2005 Eukaryotic cytosine methyltransferases Annu Rev Biochem 74481514 PMID 15952895 其他微 RNA 透過組蛋白修飾或透過 DNA 甲基化和組蛋白修飾組合來進行表觀遺傳調節。 小 RNA 小 RNA 是在細菌中發現的小的（50250 的核苷酸），高度結構化的，非編碼的 RNA 片段。小 RNA 控制基因表達，包括病原體毒力基因，並被認為是與細菌耐藥性作鬥爭的新靶點。Howden BP Beaume M Harrison PF Hernandez D Schrenzel J Seemann T Francois P Stinear TP 2013 Analysis of the Small RNA Transcriptional Response in MultidrugResistant Staphylococcus aureus after Antimicrobial Exposure Antimicrob Agents Chemother 57 8 386474 doi 101128AAC0026313 小 RNA 在很多生物程序中發揮重要作用，與原核生物靶向信使 RNA 和蛋白結合。對小 RNA 的系統發育分析，例如透過小 RNA 信使 RNA 靶向互動或蛋白結合特性，可建立綜合資料庫。sRNATarBase 20 A comprehensive database of bacterial SRNA targets verified by experiments 同時也建立了與微生物基因組的目標相關的小 RNA 基因圖譜。Genomics maps for small noncoding RNAs and their targets in microbial genomes 長非編碼 RNA 序列 大量研究表明，長鏈非編碼 RNA lncRNA 在基因表達和染色體修飾的調節中發揮著關鍵作用，從而對細胞分化發揮重要控制作用。這些長非編碼 RNA 也有助於基因組印記和 X 染色體失活。 Ruffo Paola et al Longnoncoding RNAs as epigenetic regulators in neurodegenerative diseases Neural Regeneration Research 186 2023 1243 在蜜蜂群居昆蟲等無脊椎動物中，長非編碼 RNA 被檢測為一種可能的表觀遺傳機制，透過等位特異性基因（來自父系或母系）決定攻擊行為。 Bresnahan et al Examining parentoforigin effects on transcription and RNA methylation in mediating aggressive behavior in honey bees Apis mellifera BMC Genomics volume 24 Article number 315 2023 httpsdoiorg101186s12864023094114 朊毒體 朊毒體是蛋白質有傳染性的部分。通常，蛋白質摺疊成執行不同細胞功能的不相關的單元，但有些蛋白質也能形成有傳染性的構象狀態，如已知的感染性蛋白質。雖然曾經認為朊毒體具備將相同蛋白質的其他原生狀態催化轉變為一種有傳染性構象狀態的能力，但在以後的研究中，又認為其是表觀遺傳的代理，具有不修飾基因組而引起表型改變的能力。Yool A Edmunds WJ 1998 Epigenetic inheritance and prions Journal of Evolutionary Biology 11 2 241242 doi101007s000360050085 真菌朊毒體被認為具有表觀遺傳，原因是由感染性蛋白質引起的感染性表型能夠不修飾基因組而遺傳。1965 年和 1971 年在酵母菌中發現的 PSI 和 URE3，是這種感染性蛋白質中研究最為充分的兩個。Cox BS 1965 PSI a cytoplasmic suppressor of supersuppression in yeast Heredity 20 4 505521 doi101038hdy196565 Lacroute F May 1971 NonMendelian mutation allowing ureidosuccinic acid uptake in yeast J Bacteriol 106 2 51922 PMC 285125 PMID 5573734 朊毒體可以透過抑制表型效應蛋白的聚集，從而降低蛋白質的活性。在 PSI 細胞，Sup35 蛋白質的損失 參與翻譯終止 導致核糖體終止密碼子翻譯率更高，抑制其他基因中無意義突變。Sup35 形成朊毒體的能力可能一直存在。它可以賦予細胞適應性優勢，使之能夠切換到 PSI 狀態，表達休眠基因，而通常，這些特性被終止密碼子突變所抑制。True HL Lindquist SL September 2000 A yeast prion provides a mechanism for genetic variation and phenotypic diversity Nature 407 6803 47783 doi10103835035005 PMID 11028992 Shorter J Lindquist S June 2005 Prions as adaptive conduits of memory Shorter J Lindquist S June 2005Prions as adaptive conduits of memory and inheritance Nat Rev Genet 6 6 43550 doi101038nrg1616 PMID 15931169 Giacomelli M Hancock AS Masel J 2007The conversion of 3 UTRs into coding regions Molecular Biology Evolution 24 2 457464 doi101093molbevmsl172 PMC 1808353 PMID 17099057 Lancaster AK Bardill JP True HL Masel J 2010The Spontaneous Appearance Rate of the Yeast Prion PSI and Its Implications for the Evolution of the Evolvability Properties of the PSI System Genetics 184 2 393400 doi101534genetics109110213 PMC 2828720 PMID 19917766 結構遺傳系統 在纖毛蟲像是四膜蟲和草履蟲中，基因完全相同的細胞在其表面有著不同且可遺傳的纖毛紋，以實驗改變的纖毛紋可傳給子代，似乎存在一種結構起到模板的作用，這種遺傳機制尚未清楚，但有理由假設多細胞生物也會利用現存的細胞結構來組裝個新的。Sapp J 1991 Concepts of organization The leverage of ciliate protozoa Dev Biol NY 7 22958 PMID 1804215 Sapp J 2003 Genesis the evolution of biology Oxford Oxfordshire Oxford University Press ISBN 0195156196 Gray RD Oyama S Griffiths PE 2003 Cycles of Contingency Developmental Systems and Evolution Life and Mind Philosophical Issues in Biology and Psychology Cambridge Mass The MIT Press ISBN 0262650630 功能和影響 發育 體細胞表觀遺傳透過表觀遺傳修飾，特別是透過 DNA 甲基化和染色質重塑，在多細胞真核生物的發育中非常重要。基因組序列不變（有一些值得注意的例外），但細胞區分為很多不同的型別，執行不同的功能，對環境和細胞間的訊號做出不同的反應。因此，作為個體發育，成形素啟用或抑制在一種表觀遺傳方式裡的沉默基因，賦予細胞一個 記憶。在哺乳動物中，多數細胞終末分化，僅幹細胞保留分化成幾種細胞型別的能力（全能性 和 多潛能性）。在哺乳動物中，一些幹細胞在整個生命中持續產生新分化的細胞，但哺乳動物不能對一些組織的失去做出反應，例如，不能再生肢體，而其他一些動物可以。不像動物，植物細胞不終末分化而保持全能，具有產生一個新植物個體的能力。雖然植物像動物一樣利用很多相同的表觀遺傳機制，例如染色質重塑，已有假說認為一些種類的植物細胞不使用或不要求 細胞記憶，而用來自環境和周圍細胞的位置資訊重新設定其基因表達方式來決定其命運。Costa S Shaw P March 2007 Open minded cells how cells can change fate PDF Trends Cell Biol 17 3 1016 doi101016jtcb200612005 PMID 17194589 This might suggest that plant cells do not use or require a cellular memory mechanism and just respond to positional information However it has been shown that plants do use cellular memory mechanisms mediated by PcG proteins in several processes p104 表觀遺傳可分為預定的和基於機率的。預定的表觀遺傳是一種從 DNA 的結構性發展到蛋白質的功能成熟的單向運動。預定 在這裡指發展是照本宣科和可預見的。另一方面，基於機率的表觀遺傳是一種隨著經歷和外部造型的發展的雙向結構 功能發育。Griesemer J Haber MH Yamashita G Gannett L March 2005 Critical Notice Cycles of Contingency Developmental Systems and Evolution Biology Philosophy 20 23 517544 doi101007s1053900408364 跨代 醫學 表觀遺傳有各種各樣的潛在的醫學上的應用，同時它在世界上也趨向多面性。Chahwan R Wontakal SN Roa S March 2011 The multidimensional nature of epigenetic information and its role in disease Discov Med 11 58 23343 PMID 21447282 先天性遺傳性疾病很好理解，表觀遺傳能夠發揮作用也很清楚，例如天使人症候群和普瑞德威利症候群。這些疾病像一般的遺傳疾病一樣由基因缺失或基因失活導致。但是由於基因組銘印的關係，個體本質上是半合子，因此敲除單個基因即足以致病，不像其它的遺傳疾病需要兩個複製都被敲除，所以這些疾病特別容易發生。Online Mendelian Inheritance in Man OMIM 105830 演化 當表觀遺傳改變可遺傳時，表觀遺傳可影響演化。一個隔離的種系或魏斯曼屏障對於動物是特異的，表觀遺傳在植物和微生物中更為普遍。Eva Jablonka 和 Marion Lamb 已經爭論過這些作用，認為可能需要推進現代綜合進化論標準的概念框架。Lamb MJ Jablonka E 2005 Evolution in four dimensions genetic epigenetic behavioral and symbolic variation in the history of life Cambridge Mass MIT Press ISBN 0262101076 See also Denis Noble The Music of Life see esp pp 938 and p 48 where he cites Jablonka Lamb and Massimo Pigliuccis review of Jablonka and Lamb in Nature 435 565566 2 June 2005 其他進化生物學家則建議結合表觀遺傳與群體遺傳學模型 Maynard Smith John 1990 Models of a Dual Inheritance System Journal of Theoretical Biology 143 1 4153 doi101016S00225193 05 802875 或表示公開懷疑。Lynch M 2007 The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity PNAS 104 suppl 1 85978604 Bibcode2007PNAS1048597L doi101073pnas0702207104 PMC 1876435 PMID 17494740 表觀遺傳有兩個重要方式，可與傳統遺傳相區別，對於演化有重要的作用，這就是表突變率比一般突變率快得多 Rando OJ Verstrepen KJ February 2007 Timescales of genetic and epigenetic inheritance Cell 128 4 65568 doi101016jcell200701023 PMID 17320504 及表突變更容易逆轉。Lancaster Alex K Masel Joanna 1 September 2009 The evolution of reversible switches in the presence of irreversible mimics Evolution 63 9 23502362 doi101111j15585646200900729x PMID 19486147 種表觀遺傳要素，如 PSI 陽性系統可充當 臨時替代者，由於短期適應足夠好，使得此血統存活足夠長，直到突變和 或複合以遺傳同化適應性的表型改變。82 Griswold CK Masel J 2009 Complex Adaptations Can Drive the Evolution of the Capacitor PSI Even with Realistic Rates of Yeast Sex In Úbeda Francisco PLoS Genetics 5 6 e1000517 doi101371journalpgen1000517 PMC 2686163 PMID 19521499 這種存在可能增強一個物種的演化力。 樣本 觀遺傳改變已被觀察到在對環境暴露產生反應時發生，例如，給予膳食補充劑的小鼠具有影響基因表達的表觀遺傳改變，影響其毛色，體重和患癌症的傾向。Cooney CA Dave AA Wolff GL August 2002 Maternal methyl supplements in mice affect epigenetic variation and DNA methylation of offspring J Nutr 132 8 Suppl 2393S2400S PMID 12163699 Waterland RA Jirtle RL August 2003 Transposable elements targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation Mol Cell Biol 23 15 5293300 doi101128MCB2315529353002003 PMC 165709 PMID 12861015 就人類在不同環境暴露下來說，Fraga 等研究年輕的和年老的同卵雙胞胎。發現儘管這些雙胞胎在早年很難從表觀遺傳上區分，但老年雙胞胎在 5 甲基胞嘧啶 DNA 和組蛋白乙醯化的整體含量及基因組分佈上具有顯著差異。共度時間較短的雙胞胎和 或醫療史差異較大的雙胞胎在 5 甲基胞嘧啶 DNA 和組蛋白 H3 及 H4 乙醯化水平差異也更大。 在廣泛的有機體範圍內，包括原核生物，植物和動物，已有超過 100 種的跨代的表觀遺傳現象被報道。Jablonka E Raz G June 2009 Transgenerational epigenetic inheritance prevalence mechanisms and implications for the study of heredity and evolution Q Rev Biol 84 2 13176 doi101086598822 PMID 19606595 最近的分析提示，胞嘧啶脫氨酶 APOBECAID 家族的成員能夠利用類似的分子機制同時調節基因的和表觀的遺傳。Chahwan R Wontakal SN Roa S October 2010 Crosstalk between genetic and epigenetic information through cytosine deamination Trends Genet 26 10 4438 doi101016jtig201007005 PMID 20800313 人類的表觀遺傳效應 基因組印跡和相關疾病 一些人類疾病與基因組印記有關，在哺乳動物中有一種現象，即父親和母親在其生殖細胞中對特定的染色體組位點貢獻不同的表觀遺傳模式。Wood AJ Oakey RJ November 2006 Genomic imprinting in mammals emerging themes and established theories PLoS Genet 2 11 e147 doi101371journalpgen0020147 PMC 1657038 PMID 17121465 在人類疾病中眾所周知的印記案例是 Angelman 綜合徵和普拉德 威利綜合徵 兩者可由相同的基因突變產生，染色體 15q 部分缺失，這個特別的綜合徵將依賴於突變是繼承於母親還是父親而發展。Knoll JH Nicholls RD Magenis RE Graham JM Lalande M Latt SA February 1989 Angelman and PraderWilli syndromes share a common chromosome 15 deletion but differ in parental origin of the deletion Am J Med Genet 32 2 28590 doi101002ajmg1320320235 PMID 2564739 原因是在這個區域裡存在基因組印記。 BeckwithWiedemann 綜合徵也與基因組印記有關，經常由母體基因組印記的染色體 11 上的一個區域異常導致。 跨代表觀遺傳觀察 在 Överkalix 研究中，馬庫斯彭佈雷等 A persons paternal grandson is the son of a son of that person a maternal grandson is the son of a daughter 觀察到，在 19 世紀，瑞典男子如在青春期前遭受營養不良，則其孫子可能較少死於心血管疾病。如果這些男子的食物豐富，那其孫子的糖尿病死亡率就增加，提示這是一種跨代的表觀遺傳。Pembrey ME Bygren LO Kaati G Edvinsson S Northstone K Sjöström M Golding J February 2006 Sexspecific maleline transgenerational responses in humans Eur J Hum Genet 14 2 15966 doi101038sjejhg5201538 PMID 16391557 Robert Winston refers to this study in a lecture see also discussion at Leeds University here 3 在女性中觀察到相反的效應 如女子在在子宮內經歷過營養不良（且其卵子正在形成），則其孫女的平均壽命短一些。NOVA Transcripts Ghost in Your Genes PBS 20071016 Retrieved 20120726 表觀遺傳與發育異常 很多致畸劑透過表觀遺傳機制對胎兒發揮特定作用。Bishop JB Witt KL Sloane RA December 1997 Genetic toxicities of human teratogens Mutat Res 396 12 943 doi101016S00275107 97 001735 PMID 9434858 Gurvich N Berman MG Wittner BS Gentleman RC Klein PS Green JB July 2005 Association of valproateinduced teratogenesis with histone deacetylase inhibition in vivo FASEB J 19 9 11668 doi101096fj043425fje PMID 15901671 表觀遺傳效應可以保持致畸劑的作用，如己烯雌酚可以影響兒童的整個生命週期，但由父親暴露引起後代出生缺陷的可能性因為缺乏理論基礎而不能成立。Smithells D November 1998 Does thalidomide cause second generation birth defects Drug Saf 19 5 33941 doi1021650000201819981905000001 PMID 9825947 然而，一系列由男性介導的異常已被證實，如阿扎胞苷 Friedler G December 1996 Paternal exposures impact on reproductive and developmental outcome An overview Pharmacol Biochem Behav 55 4 691700 doi101016S00913057 96 002869 PMID 8981601 ，FDA 規定，當使用 5 阿扎胞苷（當其整合進入 DNA 後形成低甲基化胞苷成為不可甲基化類似物的物質）時，男性應注意避孕。證據是：5 阿扎胞苷處理過的雄性小鼠繁殖力下降，增加了胚胎丟失和異常胚胎髮育的機會。Cicero TJ Adams ML Giordano A Miller BT OConnor L Nock B March 1991 Influence of morphine exposure during adolescence on the sexual maturation of male rats and the development of their offspring J Pharmacol Exp Ther 256 3 108693 PMID 2005573 在暴露於嗎啡的雄性大鼠的後代中觀察到內分泌差異。Newbold RR PadillaBanks E Jefferson WN June 2006 Adverse effects of the model environmental estrogen diethylstilbestrol are transmitted to subsequent generations Endocrinology 147 6 Suppl S117 doi101210en20051164 PMID 16690809 在小鼠中，己烯雌酚的第二代效應已被描述為是透過表觀遺傳機制而發生的。Mandal SS April 2010 Mixed lineage leukemia versatile player in epigenetics and human disease FEBS J 277 8 1789 doi101111j17424658201007605x PMID 20236314 除了形成受精卵的卵子和精子的基因發生表觀遺傳變化會傳遞給下一代外，正在發育的胎兒在宮內也會因為母親暴露於某些因素而發生表觀遺傳變化。很多流行病學調查顯示，胎兒在宮內的生長發育狀況與某些成人疾病的發生存在一定的關係。如 Barker 著名的 成人疾病胎兒起源 假說。該假說認為，胎兒在孕中晚期營養不良，會引起生長發育失調，且成年後易患冠心病。與低出生體重相關的疾病還包括動脈粥樣硬化、冠心病、2 型糖尿病等。 表觀遺傳與癌症 多種複合物被認為是表觀遺傳致癌物 導致腫瘤發生率增加，但不顯示誘變活性（有毒複合物和導致腫瘤發生或復發的病原體應該被排除）。例項包括己烯雌酚，亞砷酸鹽，六氯苯和鎳複合物。最近的研究已顯示，系白血病（MLL）基因透過在不同染色體中重排和接合其他基因導致白血病，是一個在表觀遺傳控制下的過程。Mandal SS April 2010 Mixed lineage leukemia versatile player in epigenetics and human disease FEBS J 277 8 1789 doi101111j17424658201007605x PMID 20236314 其他研究證實，在許多基因中發生的組蛋白乙醯化改變和 DNA 甲基化對前列腺癌起作用。Li LC Carroll PR Dahiya R January 2005 Epigenetic changes in prostate cancer implication for diagnosis and treatment J Natl Cancer Inst 97 2 10315 doi101093jncidji010 PMID 15657340 前列腺癌的基因表達可被營養和生活方式改變所調節。Ornish D Magbanua MJ Weidner G Weinberg V Kemp C Green C Mattie MD Marlin R Simko J Shinohara K Haqq CM Carroll PR June 2008 Changes in prostate gene expression in men undergoing an intensive nutrition and lifestyle intervention Proc Natl Acad Sci USA 105 24 836974 doi101073pnas0803080105 PMC 2430265 PMID 18559852 2008 年國家衛生研究院宣佈，在接下來的 5 年中將投資 19 億美元用於表觀遺傳研究。在宣告書中，政府注意到表觀遺傳具有解釋老化機制，人類發育和癌症起源，心臟病，精神疾病及其他的健康狀況的潛力。一些研究者，如杜克大學醫學中心博士蘭迪朱特爾認為，在疾病治療方面，對於以上疾病，表觀遺傳學研究可能比遺傳學具有更大的作用。Beil Laura Winter 2008 Medicines New Epicenter Epigenetics New field of epigenetics may hold the secret to flipping cancersoffswitch CURE Cancer Updates Research and Education 在癌症中的 DNA 甲基化 DNA 甲基化是一種基因轉錄的重要的調節器，許多證據已經證實，異常的 DNA 甲基化與不定期的基因沉默有關，若在啟動子區域具有高水平的 5 甲基胞嘧啶，將發生基因沉默。DNA 甲基化在胚胎髮育期間是必需的，在體細胞中，DNA 甲基化的方式通常是高保真的傳給子細胞。異常的 DNA 甲基化模式與大量的人類惡性腫瘤有關，並發現其與正常組織相比存在兩種不尋常的形式：超甲基化和低甲基化。超甲基化是主要的表觀遺傳修飾中的一種，其透過腫瘤抑制基因的啟動子區抑制轉錄。超甲基化通常發生在啟動子區的 CpG 島，且與基因失活有關。整體的低甲基化也透過不同機制與癌症的發生和發展有關。 Wong NC Craig JM 2011 Epigenetics A Reference Manual Norfolk England Caister Academic Press ISBN 1904455883 在癌症中的 DNA 修復表觀遺傳學 種系（家族的）突變已在 34 種導致癌症高風險的不同的 DNA 修復基因中被確定，包括如 BRCA1 和 ATM。這些被列於 DNA repairdeficiency disorder 一文中。然而，由這樣的種系突變導致的癌症僅佔癌症中非常小的比例。例如，種系突變僅導致 2 到 5 的結腸癌病例。Jasperson KW Tuohy TM Neklason DW Burt RW 2010 Hereditary and familial colon cancer Gastroenterology 138 620442058 doi 101053jgastro201001054 PMID 20420945 DNA 修復基因表達的表觀遺傳減少，在散發性（非種系）癌症中非常頻繁，如在下表中顯示的，在一些代表性的散發性癌症中 DNA 修復基因的突變非常罕見。Wood LD Parsons DW Jones S Lin J Sjöblom T Leary RJ Shen D Boca SM Barber T Ptak J Silliman N Szabo S Dezso Z Ustyanksky V Nikolskaya T Nikolsky Y Karchin R Wilson PA Kaminker JS Zhang Z Croshaw R Willis J Dawson D Shipitsin M Willson JK Sukumar S Polyak K Park BH Pethiyagoda CL Pant PV Ballinger DG Sparks AB Hartigan J Smith DR Suh E Papadopoulos N Buckhaults P Markowitz SD Parmigiani G Kinzler KW Velculescu VE Vogelstein B 2007 The genomic landscapes of human breast and colorectal cancers Science 318 585311081113 PMID 17932254 散發性癌症中 DNA 修復基因的表觀遺傳改變 癌症 基因 後生變化 頻率 文獻 乳房 BRCA1 CpG 島甲基化 13 1 乳房 WRN CpG 島甲基化 17 2 卵巢 WRN CpG 島甲基化 36 3 卵巢 BRCA1 CpG 島甲基化 530 11112 卵巢 FANCF CpG 島甲基化 21 11 卵巢 RAD51C CpG 島甲基化 3 11 結腸直腸 MGMT CpG 島甲基化 4090 48 結腸直腸 WRN CpG 島甲基化 38 2 結腸直腸 MLH1 CpG 島甲基化 265 259 結腸直腸 MSH2 CpG 島甲基化 13 6 結腸直腸 ERCC1 表觀遺傳型別未知 100 10 結腸直腸 Xpf 表觀遺傳型別未知 55 10 頭頸部 MGMT CpG 島甲基化 3557 1316 頭頸部 MLH1 CpG 島甲基化 2733 171920 頭頸部 NEIL1 CpG 島甲基化 62 13 頭頸部 FANCB CpG 島甲基化 46 13 頭頸部 MSH4 CpG 島甲基化 46 13 頭頸部 ATM CpG 島甲基化 25 18 表中文獻如下： 1 Esteller M Silva JM Dominguez G Bonilla F MatiasGuiu X Lerma E Bussaglia E Prat J Harkes IC Repasky EA Gabrielson E Schutte M Baylin SB Herman JG 2000 Promoter hypermethylation and BRCA1 inactivation in sporadic breast and ovarian tumors J Natl Cancer Inst 92 7 564569 PMID 10749912 2 Agrelo R Cheng WH Setien F Ropero S Espada J Fraga MF Herranz M Paz MF SanchezCespedes M Artiga J Guerrero D Castells A von Kobbe C Bohr VA Esteller M 2006 Epigenetic inactivation of the premature aging Werner syndrome gene in human cancer Proc Natl Acad Sci U S A 2006103 23 88228827 PMID 16723399 PMCID PMC1466544 3 Baldwin RL Nemeth E Tran H Shvartsman H Cass I Narod S Karlan BY 2000 BRCA1 promoter region hypermethylation in ovarian carcinoma a populationbased study Cancer Res 60 1953295333 PMID 11034065 4 Shen L Kondo Y Rosner GL Xiao L Hernandez NS Vilaythong J Houlihan PS Krouse RS Prasad AR Einspahr JG Buckmeier J Alberts DS Hamilton SR Issa JP 2005 MGMT promoter methylation and field defect in sporadic colorectal cancer J Natl Cancer Inst 97 18 13301338 PMID 16174854 5 Psofaki V Kalogera C Tzambouras N Stephanou D Tsianos E Seferiadis K Kolios G 2010 Promoter methylation status of hMLH1 MGMT and CDKN2Ap16 in colorectal adenomas World J Gastroenterol 16 28 35533560 PMID 20653064 PMCID PMC2909555 6 Lee KH Lee JS Nam JH Choi C Lee MC Park CS Juhng SW Lee JH 2011 Promoter methylation status of hMLH1 hMSH2 and MGMT genes in colorectal cancer associated with adenomacarcinoma sequence Langenbecks Arch Surg 396 7 10171026 PMID 21706233 7 Amatu A SartoreBianchi A Moutinho C Belotti A Bencardino K Chirico G Cassingena A Rusconi F Esposito A Nichelatti M Esteller M Siena S 2013 Promoter CpG Island Hypermethylation of the DNA Repair Enzyme MGMT Predicts Clinical Response to Dacarbazine in a Phase II Study for Metastatic Colorectal Cancer Clin Cancer Res Epub ahead of print PMID 23422094 8 Mokarram P Zamani M Kavousipour S Naghibalhossaini F Irajie C Moradi Sarabi M Hosseini SV 2012 Different patterns of DNA methylation of the two distinct O6methylguanineDNA methyltransferase O 6MGMT promoter regions in colorectal cancer Mol Biol Rep Dec 28 Epub ahead of print PMID 23271133 9 Truninger K Menigatti M Luz J Russell A Haider R Gebbers JO Bannwart F Yurtsever H Neuweiler J Riehle HM Cattaruzza MS Heinimann K Schär P Jiricny J Marra G Immunohistochemical analysis reveals high frequency of PMS2 defects in colorectal cancer Gastroenterology 2005128 5 11601171 PMID 15887099 10 Facista A Nguyen H Lewis C Prasad AR Ramsey L Zaitlin B Nfonsam V Krouse RS Bernstein H Payne CM Stern S Oatman N Banerjee B Bernstein C 2012 Deficient expression of DNA repair enzymes in early progression to sporadic colon cancer Genome Integr 3 1 3 PMID 22494821 11 Rigakos G Razis E 2012 BRCAness finding the Achilles heel in ovarian cancer Oncologist 17 7956962 doi 101634theoncologist20120028 Review PMID 22673632 12 Stefansson OA Villanueva A Vidal A Martí L Esteller M 2012 BRCA1 epigenetic inactivation predicts sensitivity to platinumbased chemotherapy in breast and ovarian cancer Epigenetics 7 1112251229 doi 104161epi22561 PMID 23069641 13 Chaisaingmongkol J Popanda O Warta R Dyckhoff G Herpel E Geiselhart L Claus R Lasitschka F Campos B Oakes CC Bermejo JL HeroldMende C Plass C Schmezer P 2012 Epigenetic screen of human DNA repair genes identifies aberrant promoter methylation of NEIL1 in head and neck squamous cell carcinoma Oncogene 31 49510816 doi 101038onc2011660 PMID 22286769 14 Fan CY 2004 Epigenetic alterations in head and neck cancer prevalence clinical significance and implications Curr Oncol Rep 6 2152161 Review PMID 14751093 15 Koutsimpelas D Pongsapich W Heinrich U Mann S Mann WJ Brieger J 2012 Promoter methylation of MGMT MLH1 and RASSF1A tumor suppressor genes in head and neck squamous cell carcinoma pharmacological genome demethylation reduces proliferation of head and neck squamous carcinoma cells Oncol Rep 27 4113541 doi 103892or20121624 PMID 22246327 16 Sun W Zaboli D Liu Y Arnaoutakis D Khan T Wang H Koch W Khan Z Califano JA 2012 Comparison of promoter hypermethylation pattern in salivary rinses collected with and without an exfoliating brush from patients with HNSCC PLoS One 7 3e33642 doi 101371journalpone0033642 PMID 22438973 17 Puri SK Si L Fan CY Hanna E 2005 Aberrant promoter hypermethylation of multiple genes in head and neck squamous cell carcinoma Am J Otolaryngol 26 11217 PMID 15635575 18 Ai L Vo QN Zuo C Li L Ling W Suen JY Hanna E Brown KD Fan CY 2004 Ataxiatelangiectasiamutated ATM gene in head and neck squamous cell carcinoma promoter hypermethylation with clinical correlation in 100 cases Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 11506 PMID 14744748 19 Zuo C Zhang H Spencer HJ Vural E Suen JY Schichman SA Smoller BR Kokoska MS Fan CY 2009 Increased microsatellite instability and epigenetic inactivation of the hMLH1 gene in head and neck squamous cell carcinoma Otolaryngol Head Neck Surg 141 4484490 doi 101016jotohns200907007 PMID 19786217 20Tawfik HM ElMaqsoud NM Hak BH ElSherbiny YM 2011 Head and neck squamous cell carcinoma mismatch repair immunohistochemistry and promoter hypermethylation of hMLH1 gene Am J Otolaryngol 32 6528536 doi 101016jamjoto201011005 PMID 21353335 DNA 修復基因表達不足導致突變率增加。如由於 DNA 修復基因 PMS2， MLH1，MSH2，MSH3 或 MSH6 缺陷或 DNA 修復基因 BRCA2Narayanan L Fritzell JA Baker SM Liskay RM Glazer PM 1997 Elevated levels of mutation in multiple tissues of mice deficient in the DNA mismatch repair gene Pms2 Proc Natl Acad Sci U S A 94 731223127 PMID 9096356 Hegan DC Narayanan L Jirik FR Edelmann W Liskay RM Glazer PM 2006 Differing patterns of genetic instability in mice deficient in the mismatch repair genes Pms2 Mlh1 Msh2 Msh3 and Msh6 Carcinogenesis 2006 Dec27 1224022408 PMID 16728433 或 DNA 修復基因 BRCA2 Tutt AN van Oostrom CT Ross GM van Steeg H Ashworth A 2002 Disruption of Brca2 increases the spontaneous mutation rate in vivo synergism with ionizing radiation EMBO Rep 3 3255260 PMID 11850397 PMCID PMC1084010 錯配，小鼠突變率增加，同時注意到在 DNA 修復基因 BLM 有缺陷時，人類染色體重排和非整倍性有所增加。German J 1969 Blooms syndrome I Genetical and clinical observations in the first twentyseven patients Am J Hum Genet 1969 Mar21 2196227 PMID 5770175 PMCID PMC1706430 因此，DNA 修復缺陷可導致基因組不穩定，且這種基因組不穩定可能是導致癌症的遺傳改變的主要潛在原因。實際上，如 Nowak 等指出的，透過一種數學計算，很多散發性腫瘤的首要事件是一種遺傳性改變，其影響遺傳不穩定性，並且應注意到 DNA 修復的表觀遺傳缺陷是由體細胞遺傳的。 癌症中的組蛋白變體 H2A H2A 家族的組蛋白變異體在哺乳動物中被高度儲存，其透過改變染色質結構在很多調節核內過程中發揮決定性作用。其中一種主要的 H2A 突變體，H2AX，標誌著 DNA 損傷，需要補充 DNA 修復蛋白來促進恢復基因組的完整性。另一種突變體，H2AZ，在基因活化和抑制中發揮重要作用。在很多癌症中廣泛發現有高水平的 H2AZ 表達，並且與細胞增殖和基因組不穩定顯著相關。Wong NC Craig JM 2011 Epigenetics A Reference Manual Norfolk England Caister Academic Press ISBN 1904455883 組蛋白變異體 macroH2A1 在很多型別癌症的發病機理中也很重要，例如肝癌。Rappa F 2013 Immunopositivity for histone macroH2A1 isoforms marks steatosisassociated hepatocellular carcinoma PLOS ONE 8 1 e54458 doi101371journalpone0054458 PMID 23372727 癌症治療 最近的研究已顯示，表觀遺傳藥物可替代當前公認的治療方法，如放射治療和化學治療，或作為輔助治療提高當前療法的效果。Wang LG Chiao JW September 2010 Prostate cancer chemopreventive activity of phenethyl isothiocyanate through epigenetic regulation review Int J Oncol 37 3 5339 PMID 20664922 已證明，原癌基因區的表觀遺傳控制和腫瘤抑制序列可透過組蛋白構象變化而直接影響癌症的形成和進展。IglesiasLinares A YañezVico RM GonzálezMoles MA May 2010 Potential role of HDAC inhibitors in cancer therapy insights into oral squamous cell carcinoma Oral Oncol 46 5 3239 doi101016joraloncology201001009 PMID 20207580 此外，表觀遺傳具有可逆性，是其他任何一種癌症治療法所不能提供的特性。Li LC Carroll PR Dahiya R January 2005 Epigenetic changes in prostate cancer implication for diagnosis and treatment J Natl Cancer Inst 97 2 10315 doi101093jncidji010 PMID 15657340 藥物發展主要聚焦於組蛋白乙醯轉移酶（HAT）和組蛋白脫乙醯基酶（HDAC），已經上市的新藥 vorinostat，是一種 HDAC 抑制劑，Spannhoff A Sippl W Jung M January 2009 Cancer treatment of the future inhibitors of histone methyltransferases Int J Biochem Cell Biol 41 1 411 doi101016jbiocel200807024 PMID 18773966 其在口腔鱗狀細胞癌的進展中發揮整體作用。IglesiasLinares A YañezVico RM GonzálezMoles MA May 2010 Potential role of HDAC inhibitors in cancer therapy insights into oral squamous cell carcinoma Oral Oncol 46 5 3239 doi101016joraloncology201001009 PMID 20207580 對當前領跑的新藥靶點候選者還有組蛋白賴氨酸甲基轉移酶（KMT）和蛋白質精氨酸甲基轉移酶（PRMT）。Dowden J Hong W Parry RV Pike RA Ward SG April 2010 Toward the development of potent and selective bisubstrate inhibitors of protein arginine methyltransferases Bioorg Med Chem Lett 20 7 21035 doi101016jbmcl201002069 PMID 20219369 孿生子研究 最近涉及雙卵和單卵雙胞胎的研究也提供了一些人類表觀遺傳影響的證據。OConnor Anahad 20080311 The Claim Identical Twins Have Identical DNA New York Times Retrieved 20100502 Kaminsky ZA Tang T Wang SC Ptak C Oh GH Wong AH Feldcamp LA Virtanen C Halfvarson J Tysk C McRae AF Visscher PM Montgomery GW Gottesman II Martin NG Petronis A February 2009 DNA methylation profiles in monozygotic and dizygotic twins Nat Genet 41 2 2405 doi101038ng286 PMID 19151718 Fraga MF Ballestar E Paz MF Ropero S Setien F Ballestar ML HeineSuñer D Cigudosa JC Urioste M Benitez J BoixChornet M SanchezAguilera A Ling C Carlsson E Poulsen P Vaag A Stephan Z Spector TD Wu YZ Plass C Esteller M July 2005 Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins Proc Natl Acad Sci USA 102 30 106049 doi101073pnas0500398102 PMC 1174919 PMID 16009939 微生物中的表觀遺傳 細菌廣泛利用 DNA 甲基化的表觀遺傳，控制 DNA 蛋白的相互作用。細菌利用 DNA 腺嘌呤甲基化（不是 DNA 胞核嘧啶甲基化）作為一種表觀遺傳訊號。DNA 腺嘌呤甲基化對於細菌在有機體內的毒力很重要，如大腸桿菌，沙門氏菌屬，弧菌屬，耶爾森氏菌屬，嗜血桿菌屬和布氏桿菌屬。對於甲型變形菌，腺嘌呤甲基化可調節從細胞週期和配對基因轉錄到 DNA 複製。對於丙型變形菌，腺嘌呤甲基化為 DNA 複製，染色體分離，錯配修復，噬菌體包裝，轉座酶活性和基因表達控制提供了訊號。Jorg Tost 2008 Epigenetics Norfolk England Caister Academic Press ISBN 1904455239 絲狀真菌粗糙鏈孢黴有助於理解胞核嘧啶甲基化在一個突觸的模型系統中的控制和功能。在這個有機體內，DNA 甲基化抑制轉錄延伸，與 RIP（重複誘導點突變）的基因組防禦系統的殘餘物和沉默基因表達有關。 酵母菌感染性蛋白（PSI）由一種翻譯終止因子的某一構象改變而產生，其子細胞可繼承這種改變，並在不利條件下提供一種生存優勢。這是表觀遺傳調節使單細胞有機體能夠快速對環境應激產生反應的一個範例。朊病毒可被視為能夠誘導表型改變而不修飾基因組的表觀遺傳中介。 用單分子即時排序方法可以在微生物中直接檢查表觀遺傳標誌，聚合酶的敏感性允許在測序時測量一個 DNA 分子的甲基化和其他修飾。 幾項研究已經證實，該方法具備在細菌中收集整組基因表觀遺傳資料的能力。 方式 DNA 甲基化（DNA methylation） 基因組印記（genomic imprinting） 母體效應（maternal effects） 基因沉默（gene silencing） 核仁顯性 休眠轉座子啟用 RNA 編輯（RNA editing） 參見 B chromosome Baldwin effect Behavioral epigenetics Centromere Computational epigenetics DNA demethylation Dutch famine of 1944（Legacy） 生態型 Emergenesis Epigenetic landscape Epigenetic theory Epigenetics in psychology Epigenomics Evolutionary capacitance Evolutionary developmental psychology Extranuclear inheritance 組蛋白密碼 Hologenome theory of evolution 人類基因組 分子生物學 Nutriepigenomics Positioneffect variegation Preformationism Somatic epitype Synthetic genetic array Weismann barrier 文獻 外部連結 表觀遺傳學的相關概念和研究進展 表觀遺傳學 香港生物支援網 Category 遺傳作圖