小中大【分享】揪出表观基因组(Epigenome)“捣乱分子”
所谓表观基因组（Epigenome），指的是各种基因组遗传修饰现象的总称，这些表观基因组保证了在不改变DNA序列的情况下将基因表达模式稳定地遗传下去。但是“表观基因组捣乱分子（Epigenetic disruptors）”却能够改变基因的活性，甚至能够彻底改变干细胞最终的“命运”和数目，这都有可能增加致癌的风险。
这些表观遗传突变（Epimutation）有可能会通过生殖细胞遗传下去，从而对后代继续施加影响。由于在发育方向上具有全能性，干细胞是一个非常好的模型，尤其适合用来进行表观遗传学扰动方面的研究。我们可以进行相关的研究，比如对在正常发育过程中会出现表观遗传学改变的基因位点，例如印记基因（imprinted gene）进行研究，看看某些“表观基因组捣乱分子”是否能够改变或影响这些基因。如果这种实验策略是可行的，那么是否能够得到一个系统的、可重复性的结果呢？
哺乳动物在发育早期阶段（即受精卵形成之后）的一大特征就是细胞的发育方向会不断受到限定，并且与此同时会发生一系列的表观遗传学改变，例如DNA甲基化修饰等等。这样细胞就能稳定地进行分化和发育。小鼠胚胎未植入之前（preimplantation），即早期阶段的非特化细胞（unspecialized cell）就是具备多向分化潜能的胚胎干细胞，具有各向分化潜力，并且可以与另一个小鼠胚胎结合，在各个组织中生长，形成嵌合体小鼠（chimera）。来源于胚胎发育晚期的干细胞或者是成体干细胞，比如神经干细胞和造血干细胞等，它们的分化能力逐渐减弱，但是在正常的发育过程中，只有生殖细胞会因为表观遗传学原因导致其分化能力逐渐丧失，大量的表观遗传学重编程事件（epigenetic reprogramming event）会产生各种新的配子（图1）。不过，完全分化的细胞也能通过过表达几种关键转录因子而在实验室中被重编程成诱导多潜能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPS）。人类iPS细胞由于非常容易制备而且不会产生伦理道德问题，因此具有非常光明的临床应用前景。
我们通过对小鼠和人体多潜能干细胞（pluripotent stem cell）的大量研究已经掌握了全基因组范围内的DNA甲基化情况、组蛋白修饰情况以及各种重要的染色体修饰酶（chromatin-modifying enzyme）对DNA的作用情况。由此，我们发现了一些基本的作用于多潜能干细胞的表观遗传学作用规律（比如对很多基因启动子的低甲基化修饰作用（hypomethylation），这一点与在已分化组织中发现的超甲基化（hypermethylation）作用刚好相反）以及名为“二元模式（bivalent）”的组蛋白修饰作用（基因通过该作用修饰后可以在晚些时候被激活）。
Epigenetic stability：表观遗传学稳定性；Developmental stage:细胞所处的发育阶段；
Vulnerable：比较不稳定；Robust：比较稳定；Static model：静态模型；Stem cells：干细胞；Dynamic model：动态模型；Germ cells:生殖细胞阶段；Fertilization：受精阶段；Embryogenesis：胚胎发生阶段；Organogenesis：器官发生阶段；Birth：出生后阶段
图1 在细胞发育各个阶段中表观遗传学的稳定状况示意图。按照传统的静态模型理论认为，表观遗传学稳定性是与DNA甲基化和组蛋白修饰情况呈正比的。而在动态模型中，不断发生的各种表观遗传学修饰事件则使得细胞表观遗传学基因组一直都处于“动荡不安”的状态之中。干细胞对整个器官表观遗传学稳定性的影响会因为伴随着发育的过程、干细胞在组织器官中所占比例的不断减少而不断减弱。每一个干细胞的稳定性可能会呈现一种动态变化或者是静态水平，这主要取决于干细胞表观遗传学基因组的实际状态。
不过，多潜能性本来就不稳定，而且胚胎干细胞在表观遗传学角度表现得也是多样化的、动态的。因此，这些干细胞在从小鼠胚胎中分离出来之后的体外培养过程中也比较容易发生表观遗传学方面的改变。对这些干细胞DNA甲基化模式的分析表明，它们在体外培养过程中发生了极大的改变，这些改变是贯穿胚胎干细胞整个分化过程的。DNA甲基化修饰是基因组印记（genomic imprinting）途径里非常重要的一个作用机制，在小鼠胚胎干细胞里，印记基因在改变表达模式的同时往往也会伴随各种表观遗传学“干扰”事件的发生，比如DNA甲基化修饰等等。不过，人体胚胎干细胞的表现则要稳定得多，这可能是因为人体胚胎干细胞在发育程度上处于比较成熟的阶段。
最近的研究结果让我们看到了一丝可以了解表观遗传学不稳定机制成因的曙光，不过这些新发现可能会推翻现在流行的DNA甲基化作用是稳定的表观遗传学修饰作用的理论。现在大家普遍认为，DNA甲基化修饰是一个不断甲基化、去甲基化的动态过程，比如5-甲基胞嘧啶（5-methyl cytosine）甲基化修饰成为5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethyl cytosine），就表明在细胞每一轮分裂周期中，DNA甲基化模式都被保留下来了。另外，小鼠和人的胚胎干细胞细胞系在表观基因组方面和分化潜能方面都有不同程度的差异。这种差异在各个iPS细胞系里表现得更加明显，这是因为iPS细胞具有表观遗传学记忆力（epigenetic memory），即它们更倾向于分化形成重编程前的细胞。
由于各种干细胞分别存在上述这些情况，因此在使用干细胞作为筛选表观遗传学干扰因子的模型时首先需要解决这样几个重要问题。比如每个干细胞系、组织和器官各自正常的表观遗传学变化情况是怎么样的，这种改变在多大程度上是由于遗传因素决定的，多大程度上是由于环境因素导致的？我们该如何定义正常情况或者说常态的标准是什么？我们希望可以通过人类表观基因组计划（Human Epigenome Project, HEP）和高通量染色体表观遗传学调控组织项目（High-throughput Epigenetic Regulatory Organisation In Chromatin project, HEROIC）对隐藏在干细胞特异性和组织特异性的DNA甲基化修饰作用背后的基础机制有一个更加深入的了解。还有一个问题就是，该选择哪种干细胞来筛选表观遗传学干扰因子。理想的筛选模型应该具有足够的分化潜能，我们可以检测到各种表观遗传学上的改变，而且背景噪声很低，结果稳定性很高。另一个问题是，该选择哪种性别的干细胞。因为雄性小鼠来源的胚胎干细胞和雌性小鼠来源的胚胎干细胞在表观遗传学方面的差异也非常大，而且不同性别来源的干细胞在面对环境干扰因素时表现出来的相应的表观遗传学改变也会有所差异。最后，在筛选表观遗传学干扰因子时还需要挑选出一种合适的表观遗传学修饰作用，还要知道这种修饰作用可以在多大的范围内发挥筛选作用，即了解该修饰作用的可靠作用范围。因为我们发现的表观遗传学修饰作用的种类越来越多，不过每一种修饰作用会对基因表达带来什么样的影响我们还正在研究之中。最后，还需要确定的一点是什么时候进行检测，什么时候表观遗传学改变会对细胞造成伤害。我们能找出一个“极限点（point of no return）”来定义对细胞、器官或后代造成不可逆病理损伤的表观遗传学改变水平吗？
如果可以很好地解答上述这些问题，那么对于了解干细胞表观基因组学、细胞发育和衰老等过程的动力学是非常有意义的。而且，对于建立有效的表观遗传学干扰因子（各种化学分子和环境因素）筛选干细胞模型也会带来极大的帮助。
