表觀遺傳學的前沿熱點及趨勢研判
編者按：近年來，學科間的交叉會聚越來越明顯，科技創新成果層出不窮。中國科協與生命科學學會聯合體、信息科技學會聯合體、能源學會聯合體、軍民融合學會聯合體、智能製造學會聯合體聯合，通過長期的跟蹤研究，把握世界科技前沿動態，並定期以「中國科協創新智庫產品」發布報告。本文主要介紹表觀遺傳學科當前的研究前沿、技術熱點以及未來發展的趨勢研判。
一、研究前沿與熱點
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研究前沿
（1）新發現
植物蛋白的朊病毒樣特徵在植物表觀遺傳中發揮作用。朊蛋白通過蛋白質構象和功能的自我延續的變化提供了一種獨特的生化記憶模式。Chakrabortee的研究發現，新的朊病毒形成結構域可以通過已知的朊病毒域的功能性互補來鑒定。三種測試蛋白質的朊病毒樣結構域（PrDs）均形成更高級的寡聚體。
力證表觀遺傳記憶以組蛋白修飾的形式順式儲存。Berry監測了同一植物中擬南芥多梳蛋白靶基因FLOWERING LOCUSC（FLC）的兩個複製表達，發現其中一個副本被抑制，而另一個被激活，且這種「混合」表達狀態是隨著植物發育通過許多細胞分裂而遺傳的。
H3K9me2界定了可以表觀遺傳的沉默狀態。Ragunathan的研究發現，在裂殖酵母異染色質的保守標記——異位的組蛋白H3賴氨酸9甲基化誘導區域（H3K9me），在去除序列特異性啟動子後通過幾種有絲分裂和減數分裂細胞分裂而遺傳。研究結果表明，涉及Clr4的直接「讀—寫」機制如何傳播組蛋白修飾，並允許組蛋白作為表觀遺傳信息的載體。這些實驗表明異染色質維持不需要通過系留的TetR-Clr4-1繼續抑制轉錄，並且轉錄狀態的變化受epe1脫甲基酶的調節。研究表明H3K9me2界定了可以表觀遺傳的沉默狀態，並且脫甲基酶Epe1調節表觀遺傳狀態衰變速率。
利血賓士療誘導轉錄因子Nrf2預防癌症。Hong的研究表明，利血平通過重新激活Nrf2並誘導參與細胞保護的靶基因的表達，顯示出預防癌症的作用，並研究探討利血平引起的交換及其對TPA誘導的癌發生的潛在保護性。研究發現，與對照相比，增加利血平的濃度抑制了TPA誘導的JB6P +細胞的轉化。
發現線粒體擾動引起長期的核表觀遺傳改變長壽的機制。Merkwirth的研究結果表明，進化保守的表觀遺傳機制，確定線粒體擾動下游的衰老速率。研究發現線粒體攝動增加核表觀遺傳調節劑的水平，兩個含巨型結構域的蛋白（JMJD），JMJD-1.2和JMJD-3.1，它們是秀麗隱桿線蟲中的組蛋白去甲基化酶。這反過來引起線粒體解摺疊蛋白反應（UPRmt），這是線粒體擾動介導的壽命至關重要。JMJD介導的表觀遺傳修飾是受損的線粒體功能的高度保守的壽命調節機制。
（2）新技術
CRISPR技術用於表觀遺傳研究。Morita證明了調控區的CpGs的靶向去甲基化，在細胞培養（胚胎幹細胞，癌細胞系，原代神經前體細胞）和體內的小鼠胎兒相關基因的去甲基化分別上調1.7至50倍。
DNA甲基化模式預測iPSCs分化能力。Nishizawa的研究表明，一些基因位點的DNA甲基化模式可以作為預測iPSCs分化能力的良好標記。研究發現TRIM58表達是分化的血細胞成熟所必需的。因此，我們可以通過DNA甲基化模式在未分化iPSCs中估計分化潛力。
高通量單分子成像技術用於解碼組蛋白修飾。組蛋白修飾的不同組合模式被認為介導不同的基因調節功能，但此領域問題很難用現有技術解決。Shema通過高通量單分子成像技術，解碼了來自多功能幹細胞和譜系確定的細胞的成千上萬單個核小體上的組合性修飾。鑒定了同時具有抑制和激活標記的明確了的二價核小體，以及其他隨發育潛能而改變使用率的組合性修飾狀態。
（3）新理論
通過誘導相互衝突的信號可以在癌細胞中誘導細胞死亡或衰老。Sujobert的研究提出了有趣的假說，通過誘導相互衝突的信號可以在癌細胞中誘導細胞死亡或衰老。使用表觀遺傳景觀的文獻作為理論框架，它們使得在高度增殖的細胞中誘導靜止因子（例如FOXO，AMPK）可以產生向凋亡或衰老的轉變的情況。
衰老可逆轉。Ocampo發現間歇性表達正常情形下與一種胚胎狀態相關聯的基因能夠逆轉老年的特徵。研究表明表觀遺傳變化至少部分上促進衰老。衰老可能不必按照單個方向進行。它具有可塑性，而且經過精心的調節，衰老可能是可逆轉的。
表觀遺傳異質性影響腫瘤的生物學和臨床特徵。Li研究通過縱向比較和對比在大量的急性髓系白血病（AML）的個別病例中的遺傳和表觀遺傳變異性。雖然AML具有高度攻擊性，與實體器官惡性腫瘤相比，與相對少的突變相關聯。研究發現遺傳和表觀遺傳多樣性經常彼此獨立。
G9a蛋白有望治療神經性疼痛。Laumet研究發現神經損傷增加組蛋白H3（H3K9me2）在Kcna4，Kcnd2，Kcnq2和Kcnma1啟動子Lys9的二甲基化，但不影響這些基因的DNA甲基化水平在DRGs。該研究將神經病性疼痛的表觀遺傳學研究推向一個全新的水平。它表明一種蛋白質G9a在周圍神經損傷後許多DRG基因的上調或下調起主導作用。因此，G9a可能是治療神經性疼痛的重要靶點。
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研究熱點
在Web of Science資料庫中檢索獲得表觀遺傳領域論文共55269篇，選取其中高質量論文進行分析，根據作者關鍵詞共現情況繪製表觀遺傳學研究熱點分布（圖1）。DNA甲基化、染色質修飾、組蛋白修飾等轉錄後修飾過程是表觀遺傳學研究的主要內容，癌症和炎症是表觀遺傳學研究應用的兩個主要方向。
圖1 2012—2016年表觀遺傳學研究熱點分布情況
表觀遺傳學研究基因修飾和表達調控，從分子機制來看，表觀遺傳學研究內容包括甲基化修飾、染色質重塑、組蛋白調控、非編碼RNA調控等轉錄組學研究；從疾病應用來看，參與上述分子過程的關鍵基因和蛋白可以視作各類疾病的診斷標識物和藥物開發靶點，相關信號代謝通路在腫瘤（膠質瘤、乳腺癌、胃癌、白血病），神經疾病（精神分裂症、阿爾茨海默症），代謝疾病（肥胖、糖尿病），炎症中具有重大應用前景（表1）。
表1 2012—2016年表觀遺傳學主要研究內容及關鍵詞
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技術熱點
根據IPC分類號統計結果可知，表觀遺傳學的發明和技術集中於醫學衛生學和基因工程領域。表觀遺傳學研究發現的分子靶點可用作重大疾病的檢測指標和藥物開發靶點（表2）。
表2 2012—2016年表觀遺傳學主要技術領域
從表觀遺傳學專利的關鍵詞出現頻率可知，表觀遺傳學發明主要涉及核酸和多肽類化合物，主要應用產品包括癌症等重大疾病的檢測探針和抗體製備（表3）。
表3 2012—2016年表觀遺傳學主要技術關鍵詞
使用Thomson Innovation資料庫的Themescape功能繪製專利地圖，篩選表觀遺傳學領域的主要技術（圖2）。表觀遺傳學主要應用分子生物學技術進行研究，其應用方向與分子生物學有所交叉。
Thomson Innovation資料庫共收錄表觀遺傳學相關專利族17885個，大致包括以下幾類重要技術：腫瘤分子診斷與檢測（左下區域）、誘導型啟動子構建（左上區域）、疾病治療藥物製造（右邊區域）、幹細胞療法和單抗製備（右下角區域），其中疾病藥物製造中具有大量專利高峰，顯示此領域是表觀遺傳學技術的重要應用方向。
圖2 2012—2016年表觀遺傳學主要技術熱點
（1）腫瘤分子診斷與檢測：疾病分子標誌物並不局限於基因和蛋白，表觀遺傳學研究證明轉錄因子的修飾與腫瘤發生關係密切，此類專利提供了一類表觀基因組檢測方法，檢測關鍵基因的表觀修飾情況，從而進行腫瘤診斷。
（2）誘導型啟動子構建：誘導型啟動子是只在某些特殊刺激下大幅提高基因表達水平的基因序列。構建誘導型啟動子能夠精確高效地誘導某些機體自身不表達或表達量極低的物質生成，並且對機體生理過程沒有影響或影響極低。
（3）疾病治療藥物製造：此類專利數量最多且覆蓋內容廣泛。首先，基於遺傳學重組的疫苗製備方法已經獲得廣泛應用；其次，轉錄因子抑製劑為疾病治療化合物篩選提供了新思路，有望改善腫瘤、肥胖、糖尿病等疾病的治療效果。
（4）幹細胞療法和單抗製備：基因重組技術是幹細胞誘導和單克隆抗體製備的重要方法之一。幹細胞誘導主要應用於實驗室研究，幹細胞療法的有效應和應用前景仍有待觀察。而通過基因重組技術生產單克隆抗體藥物組合已是癌症的疾病治療的方法之一。
二、趨勢研判
1.表觀遺傳的機制與功能研究仍然是未來表觀遺傳研究的重要任務。包括表觀遺傳信息的建立和維持、表觀遺傳修飾、與表觀遺傳調控相關的非編碼RNA，將細胞信號網路與表觀遺傳修飾、染色質重塑乃至基因表達等不同層面調控網路整合，深入認識從信號到表觀遺傳調控乃至個體生長、發育、衰老和對環境適應的分子機理等。
2. 表觀遺傳學在重大醫學問題研究上的應用將受到持續重視。目前，腫瘤（膠質瘤、乳腺癌、胃癌、白血病）、神經及精神疾病（精神分裂症、阿爾茨海默症）、代謝疾病（肥胖、糖尿病）、炎症等重大疾病方面，都開展了表觀遺傳學應用研究。參與甲基化修飾、染色質重塑、組蛋白調控、非編碼RNA調控等表觀遺傳分子過程的關鍵基因和蛋白作為各類疾病的診斷標識物和藥物開發靶點而受到重視。
3. 表觀遺傳學研究不斷吸納更多新技術。目前，下一代測序技術已廣泛應用於表觀遺傳學研究當中，在甲基化分析、組蛋白修飾圖譜及DNA結合蛋白定位、染色質狀態及空間構象分析、表觀調節的細胞種屬特異性研究、表觀遺傳標誌可遺傳性/代際傳遞/遺傳及SNPs生物學效應研究等方面都取得了諸多進展；高通量單分子成像技術已用於解碼組蛋白修飾；新型基因編輯技術，如CRISPR技術，也已應用表觀遺傳靶向治療早期干預。隨著表觀基因組圖譜的繪製成功，結合更多先進技術應用，表觀遺傳領域將有更豐碩的成果產生。
中國科協生命科學學會聯合體供稿，原文內容有刪減。
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