原標題：表觀遺傳學及現代表觀遺傳生物醫藥技術的發展
摘要 : 表觀遺傳學和基于表觀遺傳機制的生物醫藥技術的研究已經成為后基因組時代生命科學技術領域的重要組成部分。圍繞腫瘤、心腦血管疾病、糖尿病及中老年神經退行性疾病等過程中 DNA 甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾及非編碼 RNA 等表觀遺傳學改變的深入研究，不僅有利于理解相關疾病的分子病理機制，而且，更有助于探尋基于表觀遺傳機制的有效治療手段。在闡釋表觀遺傳學修飾機制的基礎上，對疾病過程中異常的表觀遺傳學修飾及相關生物醫藥技術的研究現狀進行了歸納總結。
關鍵詞 : 表觀遺傳學 ;DNA 甲基化 ;組蛋白翻譯后修飾 ;非編碼 RNA ;人類疾病
1、表觀遺傳學的緣起。
1942 年，Conrad H. Waddington 依據胚胎學的“epigenesist”（漸成說，該學說強調生物個體發育和分化是基于細胞內的可溶性組分所能發生的化學反應）和“Genetics”（遺傳學）創建了“Epigenetics”一詞，用于描述胚胎發育過程中基因及其產物的“臨時性”作用所能呈現出的生物性狀（Phenotype），以及基于這些性狀而最終發育成成熟生物個體的一個生物學分支。最初，“Epigenetics”一詞漢譯為“實驗胚胎學”,故“Epigenetics”的本意是指受精卵在不改變核內基因組的前提下，通過基因和基因編碼產物之間的相互作用執行“發育”和“分化”,并最終出現高度復雜且成熟的生物個體的機制。隨后，“Epigenetics”的定義幾經改變，但近年來的研究進展再次表明，“表觀遺傳學”的研究內容又重新回歸了當初其基于早期發育和分化的定義。
但是，如今的“表觀遺傳學”已經承載了更多的分子生物學語義，已經成為研究生物個體在保持細胞內 DNA 完整的情況下，通過包括 DNA 的“化學修飾”（chemical modification of DNA）、組蛋白翻譯后修飾及非編碼 RNA 等途徑，通過改變染色質結構來塑造“環境-基因互作”所要求的基因表達模式的一個嶄新的現代分子生物學分支學科。
事實上，多細胞生物個體內的“體細胞”均含有相同的 DNA 組分，但實現“分化”和“發育”成為不同類型的體細胞內的“基因表達模式”（patternsof gene expression）卻體現明確的差異。由這些差異“表達模式”所確定的性狀可以穩定地表現出“克隆性遺傳”（clonally inherited）現象。據此有人為“表觀遺傳學”賦予了一個比較模糊的定義，即研究有絲分裂和 / 或減數分裂的可遺傳的基因功能的改變，這些基因功能的改變不能通過改變 DNA 序列加以解釋的遺傳學。
本文將圍繞癌癥、心腦血管疾病、糖尿病及神經退行性疾病等重大疾病過程中 DNA 的化學修飾、組蛋白翻譯后修飾及非編碼 RNA 等表觀遺傳學修飾機制等研究熱點及相應的現代醫藥生物技術研發現狀展開分析和討論。
2、表觀遺傳修飾的主要手段。
在動植物等多細胞生物個體中，一個細胞所擁有的特定“身份”取決于該細胞內 DNA 調控元件與蛋白質調控復合體之間相互作用所建立的獨特的表觀遺傳學修飾狀態。本質上，這些表觀遺傳修飾狀態對應著由染色質中的 DNA、組蛋白等的修飾，以及由染色質重塑所建立的獨特的基因表達模式類型。
不僅如此，表觀遺傳學修飾還直接影響著該細胞內包括 DNA 復制、DNA 損傷修復、重組、染色體壓縮和分離等幾乎所有與 DNA 代謝有關的過程。自20 世紀 90 年代以來，表觀遺傳學研究取得了長足進展?，F已明確了 DNA 特定位點處的甲基化修飾、核小體中組蛋白翻譯后修飾、非編碼 RNA 調控、組蛋白變體及受催化的染色質重塑等各種表觀遺傳修飾類型[1].
2.1 DNA甲基化與去甲基修飾。
DNA 甲基化修飾是發生在 DNA 上的一類持久且相對穩定的表觀遺傳修飾，它的主要生物學功能是在染色質水平通過影響轉錄因子與 DNA 的接觸對基因轉錄加以調節[1].幾十年的研究表明，DNA 甲基化修飾在遺傳印記（genetic imprinting）[2]、X-染色體失活、抑制基因組內重復 DNA 序列的不穩定性和轉座子轉錄方面發揮著關鍵的作用[3].
真核生物 DNA 分子中某些位點處的胞嘧啶的 5'位置是常見的甲基化修飾（5-Methylcytosine,5-meC）部位。出現在相應部位的胞嘧啶甲基化修飾是表觀遺傳修飾促使基因沉默（epigenetic gene silencing）和染色質成為“異染色質”（heterochromatin）的重要原因之一。不同的是，哺乳類動物和植物細胞中DNA 甲基化修飾的位置及修飾后的生物學功能并不完全相同。在哺乳類細胞內，DNA 的甲基化修飾常見于散布在啟動子上游的“CpG”二核苷酸位點中的 C 堿基上。這些位點處的“CpG”中的“C”堿基的第 5 位可以在 DNA 甲基轉移酶催化下接受來自S-腺苷甲硫氨酸的甲基。未甲基化修飾的 CpG 被含有“CXXC”結構域的蛋白（CXXC domain-containingproteins）識別，而甲基化修飾的 CpGs 則被含甲基結合域（methyl binding domain,MBD）的蛋白識別。
植物細胞內的 DNA 甲基化除發生在 CpG 位點之外，還能在“CHG”或“CHH”等部位進行，其中“H”可以是 A、T、C 任一堿基。有意思的是，與哺乳類動物基因中“CpG”散聚在啟動子上游的情況不同，植物細胞內的“CpG”很少以“CpG 島”的形式分布于啟動子上游。即便如此，植物細胞中 DNA 的胞嘧啶的甲基化修飾也并不是隨機進行的。在植物基因組中，能夠被甲基化修飾的“CpG”通常分布在轉座子聚集的重復 DNA 序列、著絲粒重復 DNA 序列和呈沉默狀態的 5S 或 45S rRNA 基因組成的重復DNA 序列部位。除此之外，植物 DNA 序列中胞嘧啶的甲基化修飾也出現在受差異調節的啟動子和高度表達的基因的蛋白質編碼區[4,5].與動物不同，植物細胞內的 CpG 甲基化的功能尚未能最終確定，但從其富集在外顯子部位來看，可能與 mRNA 前體的拼接成熟有關。
迄今尚未發現 5-meC 的“去甲基酶”.而在尋找“5-meC 去甲基酶”的過程中卻發現了“5-meC”的氧化現象。有關的最新進展表明，DNA 中的“5-meC”可被一組名為“10-11”移位“TET”（teneleven translocation,TET）蛋白分別氧化成 5-羥甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine,5-hmeC）、5-甲酸基胞嘧啶（5-formylcytosine,5-fC）和 5-羧基胞嘧啶（5-carboxylcytosine,5-caC）。其中，5-hmeC 會隨DNA 復制而丟失，而 5-fC 和 5-caC 則會通過 DNA胸腺嘧啶糖基化酶（DNA glycosylate,TDG）催化的堿基切除修復去除。由于這些都有助于使“5-meC”重新變為未甲基化的胞嘧啶，因此，5-hmeC、5-fC和 5-caC 曾一度被認作 5-meC 去甲基反應的中間體。
但是，后續的研究表明，5-hmeC 普遍存在于成年生物個體內多種類型的成熟細胞的基因組內，如一些免疫細胞基因組內的 5-hmeC 約占其堿基總數的萬分之五（0.05%），而在浦肯野細胞（purkinje cells）中則要占到其總堿基數的千分之六（0.6%）。并且也發現，包括 MeCP2、MBD3 和 Uhrf2 等在內的參與基因轉錄調控的蛋白均能夠識別5-hmeC.因此，5-hmeC更有可能同 5-meC 一樣，是一類與基因表達調控有關的新型胞嘧啶修飾。與此不同，與 5-fC 和 5-caC結合的蛋白則大多為 DNA 修復蛋白，表明它們才更有可能是 5-meC 去甲基反應的真正中間體。DNA 甲基化修飾程度的改變可見于諸多人類疾病過程中。
2.2 組蛋白翻譯后修飾。
現今發現的組蛋白翻譯后化學修飾主要包括 :組蛋白 N 端無序結構域中賴氨酸殘基部位的乙?；╝cetylation）、甲基化（methylation）、泛素化（ubiquitylation）和小分子泛素蛋白修飾（sumoylat-ion）；精氨酸殘基部位的甲基化和去氨基（deamina-tion）修飾 ;脯氨酸的異構化（proline isomerization）和谷氨酸-聚-ADP 的核糖基化（glutamate poly-ADPribosylation）修飾 ;同時，也包括絲氨酸和蘇氨酸殘基上的磷酸化修飾[1].其中，組蛋白特定位點的甲基化 / 去甲基化、乙?；?/ 去乙?；揎棇儆谘芯孔疃嗟慕M蛋白翻譯后表觀遺傳修飾類型[1,6].
通常情況下，組蛋白的乙?；揎椌哂小八砷_”核小體結構中的核心組蛋白和 DNA 的相互作用的能力，而去乙?；碗S后進行的甲基化修飾則較為復雜，如 H3K9 和 H3K27 位點處的甲基化通常會導致“基因沉寂”,使得該染色質區域呈現異染色質狀態；與此不同，發生在 H3K4 和 H3K36 的甲基化則通常促進基因轉錄。上述組蛋白翻譯后修飾均需要特異性酶催化，包括已經確定的 5 大類組蛋白乙?；D移酶（histone acetyltransferases,HAT）、4 大類組蛋白去乙?；福╤istone deacetylases,HDAC）、絲氨酸或蘇氨酸激酶（serine or threonine kinases）、磷酸化酶（phosphatases），以及種類繁多的組蛋白甲基轉移酶（histone methyltransferases）和組蛋白去甲基酶（histone demethylases）等[1].
組蛋白的化學修飾可以直接或間接地影響核小體的穩定性及核小體所在染色質區域的折疊狀態，在基因轉錄、DNA 損傷修復、染色質壓縮（chromo-some condensation）、基因組穩定維護等過程中發揮著重要作用[1].顯然，組蛋白修飾在染色質水平增加了基因表達調控的層級和復雜程度，特別是出現在某些組蛋白 N 端無序結構域內的氨基酸殘基的多價化學修飾，如 H3K4、H3K36 的二價和三價甲基化修飾（染色質區呈現“活性狀態”的標識）以及H3K9m3 和 H3K27 的類似甲基化修飾（染色質呈“沉寂狀態”的標識）則更加豐富了表觀遺傳修飾的語義。與此類似，在單個精氨酸殘基上的對稱和不對稱二價甲基化修飾也體現類似的效應。研究進展表明，包括癌癥在內的許多復雜性人類疾病過程中都伴隨著組蛋白修飾的異常。
2.3 非編碼RNA.
與 DNA 甲基化修飾、組蛋白 N 端氨基酸殘基的多種化學修飾一樣，非編碼 RNA（ncRNAs）對基因表達的調控也是表觀遺傳修飾的主要手段之一。
大量證據表明，數以千計的基因的表達調控受非編碼 RNA 分子的調節。ncRNAs 一般可以依據大小和功能分為 3 種主要類型，包括 siRNAs、miRNAs 和LncRNAs[7-9].
2.3.1 siRNAs.
siRNAs 是一大類參與“RNA 干擾”（RNA interference,RNAi） 的 非 編 碼 RNA.siRNA廣泛參與基因表達調控、病毒防御、轉座子活性控制、基因印跡等過程。RNAi 則是 2003 年后基因組時代生物學領域所取得的最激動人心的表觀遺傳學技術成果之一，已經成為眾多分子生物學和生物技術實驗室的研究內容。并同時成為繼“基因敲除”和“基因突變”之后用于探知未知基因功能的又一重要技術。
但由于特異性問題，利用 RNA 干擾技術對人類特定疾病的治療之路顯得異常曲折。目前，RNAi 技術還只能應用于人類少數疾病的干預和治療。
2.3.2 microRNAs.
小 分 子 RNA（microRNAs,mi-RN-As）是一類含有 20-24 個堿基的非編碼 RNA.它們可以與 mRNA 的 3' 或 5' 非翻譯區特異性地結合，并借此抑制蛋白質翻譯[1].當前，已經在人類基因組內確定了 2 000 多種 miRNAs,每一種 miRNA 均可調控很多基因表達。miRNAs 廣泛參與生物發育、自穩態（homeostasis）和疾病過程。同時，它們也通過堿基序列特異性影響表觀遺傳標記的分布模式（distribution patterns）。
小分子非編碼 RNA 也參與 RNA 沉寂（RNAsilencing）過程，負責控制某些內源基因及包括病毒、轉入的外源基因或轉座子等外源“寄生分子”的活性。小分子 RNA 參與的“沉寂”體現可移動性，可以在細胞之間（一般包括制造出小分子非編碼 RNA 周圍的 10-15 個細胞范圍內移動）進行短程轉移，也可以在系統水平上進行長程轉移（long-rangemovement）[10].小分子 RNA 的這種可移動性取決于它們在“沉寂”過程中所依賴的堿基序列特異性。與此同時，參與 RNA 沉寂的 RNA 分子還可以通過 RNA 依賴的 RNA 聚合酶（RNA dependent RNApolymerase,RdRp）轉化成新的雙鏈 RNA（dsRNA），并經過“Dicer”加工成新的 siRNA,使原有的 RNAi效應得到進一步放大[10].miRNAs 在包括腫瘤、心血管疾病等重大疾病過程中發揮著重要的作用。
2.3.3 LncRNAs.
20 多年前已經在哺乳類細胞內發現基于非編碼 RNA 的基因劑量補償效應（dosagecompensation），如人類女性細胞內的 X 染色體失活現象[11].一條 X 染色體失活的轉錄物 XIST 就是一條編碼自基因間轉錄的非編碼長 RNA 分子（lncRNA）。XIST 從一條 X 染色體轉錄之后與 PcGs（polycombgroup complex）復合體中的 PRC2 結合，引發 X 染色體上大多數基因的沉寂性關閉。此后的數年間，在不同的生物細胞內發現了數千條長非編碼 RNA.諸多跡象表明，lncRNA 介導的表觀遺傳學修飾為表觀遺傳調控構造了另一個關鍵層級。盡管這些長非編碼 RNA 來源不同，但它們的作用機制卻大致相似，很多 lncRNAs 分子可與染色質修飾和重塑復合體直接作用，向染色質的特定部位引導這些表觀遺傳“催化劑”[12].
2.4 組蛋白變體和核小體重塑。
眾所周知，真核生物細胞核內的 DNA 與核心組蛋白八聚體形成核小體結構，并和非組蛋白一起形成染色質[1].核小體是含有多種弱相互作用的穩定的實體結構。核小體結構的穩定性直接影響著基因轉錄的可能性。因此，對核小體核心組蛋白對應的組蛋白變體，以及源于 DNA 解旋酶的核小體重塑ATPase 調節核小體的穩定性就成了基因能否針對環境、代謝過程和分化指令作出及時的應答的關鍵。核小體重塑 ATPase 常以復合體的形式起作用。
一方面，核小體重塑 ATPase 可以借與 ATP 的結合和水解進行構象改變，同時，也與核小體中的組蛋白和 DNA 分子作用。因此，核小體重塑 ATPase 既可以催化核心組蛋白在 DNA 上滑動，也可以幫助組蛋白變體置換位于核心組蛋白八聚體中的對應亞基。
甚至，核小體重塑 ATPase 還可以使核小體結構部分或完全解離或間接影響染色質的折疊狀態。
需要特別強調的是，組蛋白變體和核小體重塑ATPase 的作用幾乎可見于基因組代謝的所有過程，不僅參與發育過程中的基因表達模式的建立[13],而且也負責針對環境信號作出基因轉錄水平的快速應答[14],并能參與程式化的基因組復制[15].核小體內組蛋白 -DNA 之間的相互作用因有核小體重塑ATPase 的催化呈現可逆性和特異性。例如，有些核小體重塑 ATPase 主要參與基因轉錄，有些則特異性地參與 DNA 損傷、修復和同源重組[1].
因此，編碼核小體重塑 ATPase 的基因缺陷通常只會對所參與的過程產生影響。例如，與生物發育過程有關的核小體重塑 ATPase 基因缺陷要么影響胚胎的生存，要么使胚胎出現形態缺陷[13],而負責DNA 損傷修復的核小體重塑 ATPase 基因缺陷（如INO80）則只會影響 DNA 損傷的修復，引發基因組不穩定和癌癥[1,16].
3、表觀遺傳修飾的遺傳力。
法國生物學家拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）最早提出“獲得性狀”（acquired traits）可以“遺傳”給后代的理論。但該理論很快讓位給達爾文的進化論。表觀遺傳學作為研究基因-環境互作的一門重要生物學分支，近年來的研究進展表明，許多本來屬于表觀遺傳修飾的“獲得性狀”可以表現出“跨代遺傳”現象。這些發現使人們開始重新對拉馬克理論進行審慎的思考。例如，來自植物的表觀遺傳學研究發現，包括春化作用、鹽逆境應答及寒冷適應等生理過程中均伴隨著表觀遺傳修飾有關的性狀的“跨代遺傳”[17].
對植物適應寒冷環境（cold acclimation）機制的研究發現，擬南芥（Arabidopsis）細胞內組蛋白去乙?；?6（hda6）基因突變體不僅表現出比野生型植株更差的抗霜凍能力，而且對一般意義上的寒冷適應能力也明顯下降。因此，HDA6-介導的染色質修飾在擬南芥寒冷適應過程中發揮著關鍵作用[18].
同樣，在高鹽脅迫下，擬南芥P5CDH、SRO5基因所編碼的 siRNAs 會得到表達，并直接影響擬南芥的抗鹽能力[19].來自玉米的研究表明，寒冷脅迫可以影響玉米基因組 DNA 的甲基化修飾水平，寒冷的溫度可以誘導玉米根部表達的ZmMI1基因呈低水平甲基化狀態[20].與此類似，經過重金屬處理的白苜蓿和工業大麻等也可以誘發各自的根部特定基因位點呈現低甲基化修飾水平[21].即便如此，并不是所有來自環境誘導的表觀遺傳標記都體現“跨代遺傳”現象，植物和動物的許多起因于環境改變的表觀遺傳修飾模式的改變可以在重新形成生殖細胞過程中被“抹去”,并不能直接傳遞到子代個體中。事實上，很多表現出跨代遺傳的表觀遺傳性狀常見于對植物的研究，這可能與植物生殖器官幾乎無一例外地來自其體細胞分化成的“花”,而動物的生殖器官則與生俱來有關。因此，不難理解，植物的生殖細胞有可能會承載著來自體細胞時期所承受的環境刺激所獲得的表觀遺傳修飾。這些表觀遺傳修飾一旦逃過減數分裂階段的“重置”,就有可能被傳給后代 ;當然，植物中這種獲得性遺傳能力也可能與其“重置”獲得性性狀不徹底有關。有研究表明，植物并不像動物那樣能夠通過胚胎發生把來自基因-環境互作的表觀遺傳性狀徹底去除[22].現在，已經在擬南芥中發現了兩個染色質調節因子 DDM1 和 MOM1 與阻止逆境（脅迫）誘導的基因轉錄改變向子代植株傳遞有關。人為造成ddm1和mom1基因缺陷可以使環境所誘導的基因轉錄特征在后代個體再現[23].
4、免疫力和重大疾病過程中的表觀遺傳學修飾改變。
過敏性反應、動脈粥樣硬化（atherosclerosis）、糖尿?。╠iabetes）和包括阿茲海默癥（alzheimer'sdisease,AD）、帕金森（parkinson diseases,PD）、弗里德里希共濟失調綜合征（friedrich'sataxia）在內的神經退行性等疾病的治療長期困擾醫學界。最近發現，這些疾病過程均存在著表觀遺傳學修飾紊亂問題。
4.1 肌體免疫力的表觀遺傳學控制。
后生生物的免疫力由天然免疫（innate immunesystem）和獲得性免疫（adaptive immune system）組成。
其中，肌體的免疫力有賴于免疫系統中免疫細胞的異質性、多樣性及對病原體的反應能力。包括過敏、哮喘和慢性肺梗阻等在內的疾病多與肌體免疫反應異常有關。最近的研究表明，組蛋白乙?；图谆揎棇τ诰奘杉毎褪芘嘤鹬P鍵的作用。同樣，DNA“CpG”的甲基化修飾也在 T 調節細胞的發育和功能發揮方面起著關鍵的作用。有報道表明，包括嚴重哮喘、吸煙引發的哮喘和肺慢阻（COPD）等呼吸道疾病患者肺部的巨噬細胞和血細胞中 I 類組蛋白去乙?；?HDAC2 的表達呈現低水平。對于這類病患使用組蛋白去乙?；敢种苿℉DACi）?？杉又匮仔曰虮磉_。由于 HATs 和 HDACs 還可以修飾包括轉錄因子在內的其他非組蛋白，并最終改變有關蛋白的活性。因此，利用組蛋白去乙?；福℉DAC）抑制劑曲古抑菌素 A（trichostatin A）可以緩解試驗動物小鼠的過敏性哮喘。在這個過程中，曲古抑菌素 A 被認為有可能通過對非組蛋白類蛋白的乙?；龠M了有關細胞死亡。這種情況表明，組蛋白的過度乙?；揎椗c異常的炎性反應有關，而進一步抑制組蛋白去乙?；富钚栽诩觿⊙仔苑磻耐瑫r，還可以進一步加劇乙?；D移酶對組蛋白之外的蛋白的乙?；揎?，并因此誘發細胞死亡[24].
4.2 惡性腫瘤過程中的表觀遺傳修飾缺陷。
在參與表觀遺傳的修飾酶中有幾類修飾酶扮演著“癌基因”和“腫瘤抑制基因”的角色[1,25].例如，人類惡性淋巴瘤細胞內常見 CREBBP、EP300、MLL1、MLL2、PRC2、MMSET 和 SETD2 等 修 飾酶和 UTX 去甲基化酶基因突變或功能喪失[6].約有 41% 的囊泡型淋巴瘤患者（follicular lymphoma,FL），39% 的融合型大 B 細胞淋巴瘤（DLBCL）和18% 復發型 B 細胞急性淋巴母細胞白血病患者細胞內常見組蛋白乙?；D移酶 CREBBP（CBP）或EP300（p300）的單個等位基因突變，這些基因突變可造成 BCL6、p53 和組蛋白 H3 等基因的低水平乙?；揎?，使得相應基因低水平表達。因此，CREBBP、EP300 在上述腫瘤發生過程中扮演著“腫瘤抑制基因”的角色。在包括漿細胞來源在內的多種惡性骨髓瘤細胞中，常見組蛋白 H3K36 二甲基化轉移酶 MMSET（NSD2 和 WHSC1）的高水平表達，導致基因組范圍內 H3K36me2 水平過高，一般認為，基因組范圍內的 H3K36me2 修飾類型的改變可能會造成局部染色質的“松弛”,并因此活化沉默狀態的基因表達，其中可能包括促進漿細胞轉化的基因，因此 MMSET 的高表達扮演著“癌基因”的角色。在 T 細胞前體急性淋巴母細胞白血?。‥TP-ALL）患者細胞內，可見組蛋白 H3K36 三價甲基化轉移酶 SETD2 的缺乏，直接影響 H3 組蛋白第 36 位賴氨酸殘基的甲基化修飾 ;而對于惡性 B 細胞癌患者而言，細胞內丟失 H3K27 去甲基酶 UTX[6],以及一個改變特異性的基因突變和 H3K27 甲基轉移酶EZH2 的過表達，致使基因沉寂標記 H3K27me3 增多。
而 EZH2 甲基轉移酶的丟失又常見于急性 T 細胞白血?。═-ALL）。在 B 細胞淋巴瘤患者細胞內，H3K4甲基轉移酶 MLL2 的失活可極大降低 H3K4me3 的水平，而在 MLL1-重排型白血病患者細胞內，MLL1 融合蛋白則特異性引導甲基轉移酶 DOT1L 對 H3K79進行甲基化修飾，表現出“癌基因”行為。不僅如此，某些腫瘤抑制基因產物也需要借助表觀遺傳修飾的酶發揮作用，如 Rb 可以借與 I 類組蛋白去乙?；傅淖饔?，引導它們在特定基因的啟動子部位除去原有的乙?；?，并與修飾 H3K9me3 的組蛋白 H3K9 三價甲基化轉移酶 Suv39h1/2 作用，促進 H3K9me3 的形成和異染色質的出現，最終導致該染色質區域內的基因沉默。經過多年研究，表觀遺傳引發的基因沉默（epigenetic gene silencing）已經被確定為癌細胞發展的重要標志之一。DNA 甲基化修飾和組蛋白的去乙?；c之密不可分。因此，DNA 甲基轉移酶（DNA methyltransferase,DNMTs）和組蛋白去乙?；D移酶（histone deacetylases,HDACs）已經成為癌癥表觀遺傳治療優選的靶點。
4.3 動脈粥樣硬化過程中的表觀遺傳學改變。
動脈粥樣硬化是因體內脂質代謝異常引發的心血管疾病[26],在美國、歐洲和日本等發達國家，每年死于動脈粥樣硬化的人數接近總死亡人數的一半以上。在我國，動脈粥樣硬化的發病率也表現出高發和年輕化特點。
在動脈粥樣硬化過程中，高濃度的低密度脂蛋白在血管內膜被氧自由基過氧化為氧化型低密度脂蛋白，引發血管內皮和血管壁慢性炎性反應。其間，炎性細胞進一步釋放炎性因子，吸引更多的免疫細胞，最終使血管壁發生進行性損傷，導致血管壁增厚，管腔變窄[27].
現有的研究表明，DNA 甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾和非編碼 RNA 的行為都會影響動脈粥樣硬化的病程[33].從患有動脈粥樣硬化癥患者體內分離出來的 DNA 總體表現低甲基化水平[28].但與血管健康維護有關的基因，如超氧化物歧化酶、雌激素受體 α 和內皮一氧化氮合成酶的血管內物質的基因啟動子區卻呈現高度甲基化狀態，顯然，這些“好”的基因的啟動子附近的“CpG”高度甲基化與相應基因編碼產物表達水平降低有關[29-32].因此，在治療中可以將 DNA 甲基化轉移酶作為潛在的靶點來影響體內 DNA 甲基化水平。
動脈粥樣硬化經常出現粥樣斑塊破裂，斑塊破裂涉及到游離于細胞核和細胞質間的 I 類組蛋白去乙?；?HDAC3.這個過程中，HDAC3 是唯一表現表達量“上調”的組蛋白去乙?；?。研究表明，針對 HDAC3 活性的抑制劑可以使斑塊巨噬細胞轉向抗炎癥反應并減少脂質的積累。
需要提及的是，一些天然食物組分含有某些組蛋白修飾酶的抑制性物質，如花椰菜中的蘿卜硫素就表現出組蛋白去乙?；D移酶抑制劑的作用[34].
同時，也可以作為抗氧化劑對 Nrf2 途徑間接進行表觀遺傳修飾的調解，對包括血紅素氧合酶 -1、NAD（P）H 脫氫酶、谷胱甘肽 S 轉移酶、鐵蛋白及硫氧還蛋白等一系列抗氧化劑、解毒酶和蛋白質的表達均有影響，而這些物質對于調節炎癥紊亂具有作用[34-37].類似的還有姜黃素[38]和原兒茶醛[39].其中，對小鼠給予 0.4% 的姜黃素連續 4 個月的觀察發現，姜黃素可以減少其動脈粥樣硬化損傷，并誘導包括細胞黏附、內皮細胞轉移等有關的基因的表達[38].
另有報道顯示，將姜黃素與蘿卜硫素聯合使用可治療胰腺癌。而原兒茶醛通常通過中藥用于治療多種血管性疾病。
4.4 糖尿病過程中的表觀遺傳學改變。
糖尿病是一大類由胰島素分泌缺陷和 / 或胰島素作用障礙引發的以高血糖為特征的糖代謝性紊亂性疾病。臨床上常見 I 型糖尿病和 II 型糖尿病[40].
I 型糖尿病本質上是一種自身免疫性疾病，患者的胰島 β（beta）細胞因受自身免疫細胞的攻擊而呈現慢性的炎癥狀態（稱為胰島炎），這種慢性炎癥可以最終完全破壞 β 細胞，引發胰島素缺乏[41].
臨床上，I 型糖尿病患者需要定期注射胰島素降低體內血糖水平[42].最近的研究表明，一種合成的組蛋白仿制品（類似物）藥物 I-BET151 可以在試驗動物身上表現出明確的降糖療效。I-BET151 不僅可以有效阻止小鼠的胰島炎，而且可以對已經發生的胰島炎具有治療效果[43].I-BET151 與乙?；揎椀慕M蛋白類似，可以模擬乙?；慕M蛋白結構干擾溴結構域蛋白 Brd4 對乙?；碛^遺傳修飾密碼的解讀，并借此阻止乙?；瘜虻幕罨痆44].除此之外，JQ1 也可以起到 Brd4 類似物的抑制劑作用，也能夠用來阻止 Brd4 與乙?；M蛋白的結合[45].
I-BET151 藥物還會增加抗炎癥物質的表達[46].Brd4 中含有 110 個氨基酸殘基的肽段以正向串接的兩個模塊 BDI 和 BDII 組成的溴結構域（bromodomain），經乙?；揎椀慕M蛋白可以通過溴結構域得到識別。這種結構也存在于 BET 蛋白家族的相關蛋白 BRD2 和 BRD3 中[47].利用具有高度選擇性的人工合成的拮抗劑 I-BET 或 JQ1 等阻斷溴結構域與乙?；M蛋白的作用可以阻斷 BET 蛋白與染色質的結合。因此 JQ1 和 I-BET 可以影響包括 IL-12、IL-6 在內的眾多炎癥因子的基因表達。
II 型糖尿病常見于成人中，主要是由于機體對胰島素的抵抗作用所致[48].已知的 II 型糖尿病中胰島素分泌的阻斷機制包括由高血糖、高血脂和氧化逆境共同引起的積累損傷。其中，氧化壓力和氧自由基被認為會直接影響 DNA 甲基化和組蛋白的組織，進而影響多種基因的表達[49,50].
4.5 神經退行性疾病中的表觀遺傳學。
經過數十年的的研究發現，包括阿茲海默癥、帕金森疾病、弗里德里希共濟失調綜合征、脆性 X染色體綜合征、亨廷頓氏疾病和脊髓小腦共濟失調癥等神經退行性疾病的發生及發展均與表觀遺傳學標記的改變有關[51-53].
4.5.1 阿茲海默癥中表觀遺傳學改變。
阿茲海默癥（AD），又稱老年癡呆癥，是一種常見于中老年人群中的神經退行性疾病。該病可隨著時間的推移而惡化，目前尚缺乏有效的治療手段。大多數 AD 患者受到影響的大腦區域出現胞外淀粉狀沉淀物，稱為老年斑（SP）和神經元內的磷酸化 tau 蛋白的積累，成為神經纖維糾纏結（NFT）[54].
早老素基因的突變可引發早發性癡呆（患者年齡 <65）。然而，大部分 AD 患者（95%-98%）都是遲發性癡呆，是由包括基因、環境和隨機的因素等的復雜作用所引起的[55].在這類 AD 患者中，基因和環境相互作用有關的表觀遺傳修飾紊亂在疾病過程中扮演了重要角色[55].
利用細胞培養和動物模型的研究發現，死于AD 的患者腦內出現 5-meC 和 5-hmeC 的整體水平降低的現象[56,57],同時，顳葉細胞中 H3 乙?；浇档蚚58],組蛋白去乙?；D移酶 HDAC6 和HDAC2 的水平升高，這種改變首先會導致 tau 磷酸化水平的升高[59,60].因此，在 AD 動物模型中，使用組蛋白去乙?；D移酶抑制劑（histone deacetylaseinhibitor,HDACi）處理，可表現出疾病的緩解和記憶力不同程度的恢復[61].此外，在 AD 患者中，一碳單位代謝受損可直接影響 DNA 甲基化水平[62].
目前，在 AD 動物模型中使用廣泛性 HDACi,如丙戊酸[63]、曲古抑菌素 A[64]和丁酸鈉[65]等，以及具有特異性的 HDACi 如 MS275[66]和 W2[67]均可影響組蛋白修飾狀況，有助于緩解試驗動物的 AD癥狀[63-69].
4.5.2 帕金森疾病中表觀遺傳學改變。
帕金森疾?。≒D）是僅次于 AD 的第二大類神經退行性疾病，臨床上表現為靜止性震顫、僵硬和運動遲緩、姿態不穩[70]和非運動性表現癥狀，包括認知障礙和睡眠障礙等。病理學上，PD 表現為神經黑色素的丟失，包括黑質中的多巴胺能神經元[71].
盡管使用左旋多巴和多巴胺能治療方法可以改善 PD 的一些癥狀，但目前仍然沒有一種有效的方法能阻止 PD 的發展進程[72].
大量的研究表明，PD 的表觀遺傳學修飾集中在PD 基因的啟動子部位甲基化紊亂[73].其中，作為最早發現的 PD 基因的 SNCA 基因[74],其編碼 α-突觸核蛋白。在 PD 患者的黑質區觀察到 SNCA 基因的甲基化水平降低[75].此外，α-突觸核蛋白的螯合劑 DNMT1 的水平也呈下降趨勢[76].研究表明，一些 HDACi 可作為神經保護劑來阻止由 α-突觸核蛋白介導的神經元毒性，如丙戊酸[77]、丁酸鈉[78-80]、vorinostat[81]和 AK-1[82]等。
以動物為研究模型的試驗表明，對暴露在除草劑中的小鼠的黑質神經元進行分析，其 α-突觸核蛋白轉移至細胞核并與組蛋白結合[83].而在對果蠅的研究中發現，α-突觸核蛋白介導細胞核中的神經元毒性，并直接與 H3 結合且抑制組蛋白乙?；?，α-突觸核蛋白的毒性可使用丁酸鈉或 vorinostat 降解[81].
組蛋白乙?；D移酶 2 的選擇性抑制作用可在由 α-突觸核蛋白介導的毒性中發揮作用[82].此外，大量的研究表明，HDACi 對神經元上誘導的神經毒素損害有保護作用[84].
4.5.3 三核苷酸擴增有關的神經-肌肉退行性疾病與表觀遺傳學。
亨廷頓疾病、脊髓小腦共劑失調、強制性肌營養不良、弗里德里希共劑失調、脆性 X 染色體及其相關的疾病是長期困擾國際醫學界的與三核苷酸重復序列擴增相關的疾病[1,85-87].
最近的研究表明，這些疾病過程中伴隨著表觀遺傳學修飾的方式改變和重復序列重復數目的增加。迄今醫學界對上述疾病的干預和治療束手無策。人們普遍寄希望于利用可校正表觀遺傳修飾化合物對這類重大疾病進行有效的干預或治療[88,89].
4.5.3.1 弗里德里希共濟失調（Friedreichs ataxia,FRDA）與表觀遺傳學 FRDA 是一種常染色體隱性神經退行性線粒體紊亂疾病，主要由在 FXN 基因上的第一個內含子上的 GAA 重復序列擴增引起[86,87,90].正常人體內的 GAA 重復序列數不超過43 個重復單位，而患者體內的 GAA 重復序列數多達 1 700（44-1 700）[91].
GAA 重復序列擴增導致線粒體蛋白 Frataxin 的表達量降低[92],故使用能夠誘導 Frataxin 表達的藥物提高 Frataxin 的表達量對于治療該病有益。最近的研究表明，FXN 基因沉默與表觀遺傳學的控制有著密切的關系。在 FRDA 患者中，DNA 甲基化水平升高，因此，有人提出使用去甲基化藥物激活沉默的 FXN 基因的設想[93].候選的去甲基化藥物可為核苷類似物去甲基化抑制劑和非核苷類似物去甲基化抑制劑[94].然而，目前尚缺乏利用 DNA 去甲基化藥物作為治療 FRDA 方法的報道。主要是尚不十分明確 DNA 甲基化與 FXN 基因沉默的關系。
理論上講，可使用包括丁酸鹽、苯甲酰胺復合物 BML-210 和氨基苯化合物[96]等 HDAC 抑制劑增加組蛋白、轉錄因子和其他轉錄相關蛋白的乙?；絹碛绊戅D錄水平[95].而最近的合成藥物 109 則可能是最有希望用于治療 FRDA 的藥物，目前已進入臨床 I 期驗證[97],除此之外，抗原 RNAs（agRNAs）也有望用于FRDA 的表觀遺傳學治療。agRNAs 是一些 19 bp 的RNAs,可以靶向作用于 FXN 基因的啟動子區[98].
因此，有望使用 agRNAs 靶向激活 FXN 基因表達。
4.5.3.2 脆性 X 染色體綜合征（FXS）。
脆性染色體 綜 合 征（Fragile X Syndrome,FXS） 是 由 于 X染色體上一段三核苷酸重復序列擴增引發的綜合征[1,85].FXS 患者細胞內 FMR1 基因的 5' UTR 區的 CGG 重復序列擴增數大于 200 個重復單位之后即關閉 FMR1 基因的表達，造成相應基因產物缺失。
病患個體早期神經系統發育會因此受累，出現面部異形、行為障礙和認知困難[99,100].FXS 在男性中的發病率明顯高于女性，分別為萬分之四（0.04%）和萬分之二點五（0.025%）[99,101],這可能與女性體內含有一個非擴增性的 FMR1 等位基因有關[99].
現在認為脆性 X 染色體綜合征患者體內 FMR1基因沉默與 CGG 重復序列區以及其上游的 CpG 島的異常甲基化有關[102,103].研究發現，絕大多數患者 CGG 重復序列區的“CpG 島”以及其上游的啟動子區都呈高度甲基化狀態[103-105].因此，這些表觀遺傳學標記將會被用作一種新型的從控制上區分男性和女性患者的 DNA 診斷方式[106].
5、基于表觀遺傳學機制的生物技術和藥物的研發。
在過去的 20 年里，圍繞 DNA 甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾過程中催化劑展開的抑制劑篩查的醫藥生物技術研發取得了長足的進展。目前，已經得到了一大批有望用于腫瘤和癌癥表觀遺傳治療的修飾酶抑制劑（表 1）。與此同時，基于小分子非編碼 RNA 表觀遺傳作用機制的 RNA 干擾技術也日臻完善，并已被用于對未知基因功能的探查的基礎研究和對諸多癌癥的干預和治療實踐。
大量的證據表明，癌癥發生過程中伴隨著表觀遺傳修飾紊亂，導致癌細胞內許多癌基因的高表達和抑癌基因的沉寂。利用所篩選出的 DNA 甲基化酶抑制劑和組蛋白去乙?；敢种苿┮呀洷砻骺梢杂行У鼗謴湍承┠[瘤細胞內的“腫瘤抑制基因”表達的抑制和“癌基因”的高表達（表 1）。當前，常規的抗腫瘤藥物都無一例外地表現出高度低效問題，而使用表觀遺傳藥物或同時輔助常規抗腫瘤藥物則可以明顯優于單獨使用常規藥物的療效?，F在，利用 DNA 甲基化轉移酶抑制劑和組蛋白去乙?；敢种苿┮呀浽诎ㄈ橄侔?、肺癌、宮頸癌、直腸癌及白血病等癌癥治療和干預實踐中取得了成效。
相較于基因突變引起的遺傳缺陷而言，基因的表觀遺傳修飾紊亂有關的疾病具有可逆的特點，因此，有望利用表觀遺傳藥物對包括癌癥等疾病在內的疾病細胞實現“逆轉”,使它們重新恢復為機能正常的細胞或被特異性地去除。
近幾年的研究也表明，在長期困擾醫藥界的阿茲海默癥、帕金森、弗里德里希共濟失調綜合征等神經退行性疾病的發生過程中也伴隨著表觀遺傳修飾紊亂問題。因此，有望利用能夠透過“血腦屏障”的表觀遺傳修飾酶小分子抑制劑藥物實現對這些長期困擾醫藥界的重大疾病實現有效的干預和治療。
簡言之，當前基于表觀遺傳機制的生物醫藥技術的研發已經進入到一個新的發展時期。從過去主要針對腫瘤和癌癥的干預及治療藥物的研發擴展成針對包括心腦血管、糖尿病、神經退行性疾病等更多疾病的干預和治療的表觀遺傳生物醫藥技術研發。
在過去的 10 多年里，利用針對癌細胞內的 DNA 甲基化和組蛋白乙?；揎椕割惖劝悬c的表觀遺傳藥物已經在血液癌癥治療方面取得了明顯成效，現在，對于針對其他癌癥、心血管疾病、代謝性疾病和神經退行性疾病的更具特異性的“第二代”表觀遺傳藥物逐漸呈現出如火如荼的研發勢頭。
概言之，基于表觀遺傳機制的生物醫藥技術的研發將會圍繞以下 3 個主要方面展開 :（1）針對疾病過程中的 DNA 甲基化和組蛋白甲基化修飾的改變，研發更具特異性和針對性的 DNA 和組蛋白去甲基化酶抑制劑和甲基激活劑，通過使用這些藥物“校正”患者體內 DNA 甲基化水平和組蛋白甲基化修飾，使其恢復到正常人的甲基化水平，從而達到治療目的 ;（2）使用更具針對性和特異性的去乙?；D移酶抑制劑（HDACi）影響疾病過程中的低水平組蛋白乙?；揎椝?，激活被表觀遺傳修飾沉默的基因的表達水平 ;（3）利用靶向輸送技術輸送更具特異性的靶向非編碼 RNA 至病灶部位，進一步提高非編碼 RNA 干擾的特異性和有效性，通過影響與疾病過程密切相關的蛋白基因的表達實現對疾病的干預或治療。
6、結語。
自 20 世紀 90 年代以來，表觀遺傳學及基于表觀遺傳機制的生物醫藥技術的發展已經成為舉世矚目的生物學熱點。在短短 20 年里，DNA 甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾和非編碼 RNA 等表觀遺傳基礎研究已經取得了長足進展。特別是圍繞癌癥、心血管疾病和神經退行性疾病等重大疾病過程中的表觀遺傳修飾異常的研究，不僅有助于理解生物的發育、分化、自穩態維持、基因-環境互作等生物學基礎問題，而且也有助于快速研發出更具針對性，更加有效的疾病治療藥物和技術方法。在過去的幾年里，一些基于癌癥表觀遺傳機制改變的藥物已經獲批用于臨床治療。相較而言，雖然針對心腦血管、神經退行性疾病的表觀遺傳藥物研究起步稍晚，但發展勢頭強勁。就當前的總體趨勢來看，基于表觀遺傳修飾機制的藥物和治療技術普遍存在副作用大，特異性低的問題。因此，如何有效利用現有分子生物學和結構生物學的技術手段，進一步深入解析參與表觀遺傳修飾的生物大分子和酶類的結構與功能，更有效確定更具特異性的表觀遺傳藥物已經成為當前亟需解決的問題。盡管存在著這樣或那樣的問題，但我們完全有理由相信，隨著表觀遺傳修飾機制過程研究的日益深入，基于表觀遺傳機制的疾病治療技術和藥物研發終將會取得突破性的進展。
