组学专题-表观基因组学
现代遗传学的基础是认为基因的可控性表达实现了细胞的分化与增殖，进而成就了生物体的生长与发育。而众所周知，基因组基因全部书写在的23组染色体上，且一个生物个体体内所有细胞的基因组基因几乎完全相同，那么问题来了：相同的基因组如何造就不同的细胞类型？
表观基因组学的基本概念
起源
表观遗传（Epigenesis）是古希腊哲学家亚里斯多德（公元前384-322年）表达的一种发育的观点，相对于preformation（先成论），这一理论认为机体的发育不是现成雏形的简单放大，而是在发育过程中逐渐形成的，后人Epigenesis其中文译成为后成论。Waddington用这一新创的术语来说明，为什么有时遗传变异并不导致表型改变，以及基因如何与环境相互作用产生表型。
基本定义
在基因组的水平上，研究表观遗传修饰的领域被称为表观基因组学(epigenomics）。表观基因组记录着一生物体的DNA和组蛋白的一系列化学变化；这些变化可以被传递给该生物体的子代。表观基因参与基因表达、个体发展、组织分化和转座子的抑制过程。不同于其底层的基因，表观基因对于个体而言并不是基本静态不变的，而是可以被环境因素动态更改的。
表观基因组学近年来的发展
2008年早期，美国国家卫生研究院NIH宣布了一项涉及1.9亿美元，时间长达5年的表观遗传学项目。NIH路线图表基因组映射联盟旨在生产人类表观基因组数据的公共资源，以催化基础生物学和疾病导向研究。联盟利用围绕下一代测序技术构建的实验管道，将DNA甲基化，组蛋白修饰，染色质可及性和小RNA转录本在干细胞和初级体外组织中选择，以代表常常参与人类疾病的组织和器官系统的正常对应物。该联盟期望提供一系列正常的表观基因组，这些基因组将为广泛的未来研究提供一个比较和整合的框架或参考。
主要研究内容
表观遗传学研究的核心是试图解答：中心法则中从基因组向转录组传递遗传信息的调控方法。
其研究内容主要包括两类，一类为基因选择性转录表达的调控，有DNA甲基化、基因印记、组蛋白共价修饰和染色质重塑；另一类为基因转录后的调控，包括基因组中非编码RNA、微小RNA、反义RNA、内含子及核糖开关等。
测序技术方面的进步使得人们现在得以通过一系列分子方法对表观基因状态进行基因级别的测序。这些数据可分为五类，分别是对表观基因组和表观基因组各状态的影响的不同的方面进行测序的结果：
组蛋白修改：染色质免疫沉淀测序（ChIP-Seq）使用抗各种组蛋白修饰变体的抗体，从而鉴定出全基因组组蛋白修饰类型。
DNA甲基化：全基因组亚硫酸氢盐测序，简化代表亚硫酸氢盐测序（RRBS），甲基化DNA免疫沉淀测序（MeDIP-Seq），与甲基化-敏感限制性酶测序（MRE-Seq）可以不同分辨率鉴定DNA在基因组上甲基化的位点，分辨率最佳可达碱基等级。
染色体可达性：DNase I hypersensitive sites Sequencing（DNase-Seq）可鉴定染色质开放的区域。
基因表达：RNA测序和表达阵列可鉴定基因表现水准或蛋白质编码基因。
小RNA表达：smRNA-Seq可鉴定主要是miRNA等小非编码RNA（small noncoding RNA，snRNA）的表现。
重点讲述：甲基化研究
甲基化基本介绍
DNA甲基化是最早发现的基因表观修饰方式之一，在维持染 色体结构、X染色体失活、基因印记和肿瘤的发生中起着重要的作用。了解DNA甲基化的机制和功能以及在不同组织或不同个体中的差异将对人类健康与疾病研究 产生深远的影响；基因组DNA甲基化作为一种重要的表观遗传修饰系统，在调控基因表达、细胞分化以及其它各种生命过程中起到了非常重要的作用。
CpG 岛的发现
CpG 岛最早是由Tykocinski 和Max[16]发现并定义的。指包含限制性内切酶HpaⅡ结合位点的小区域，因此也被称为HpaⅡ小片段岛。由于上述定义包含了许多短的重复序列，Takai 和Jones将CpG 岛进行了重新的定义: 长度不小于500 bp、GC 含量不小于55%、CpG 实际含量与期望含量之比不小于0.65。
甲基化的发生过程
在脊椎动物中,CpG二核苷酸是DNA 甲基化发生的主要位点。CpG常成簇存在,人们将基因组中富含CpG的一段DNA 称为CpG岛(CpGisland) ,通常长度在1kb～2kb 左右。CpG岛常位于转录调控区附近,DNA 甲基化的研究与CpG岛的研究密不可分。在DNA 甲基化过程中,胞嘧啶突出于DNA 双螺旋并进入与胞嘧啶甲基转移酶结合部位的裂隙中,该酶将S - 腺苷甲硫氨酸(SAM) 的甲基转移到胞嘧啶的5′位,形成5 - 甲基胞嘧啶(5 - methylcytosine ,5MC) 。
DNA去甲基化
DNA 甲基化状态并不是固定不变的。与甲基 化相似, 去甲基化也有两种形式。一种是复制依赖 性的“被动去甲基”, 即通过阻止新生链上发生 DNA甲基化而达到去甲基的效果;另一种则是非复制 依赖性的“主动去甲基”。这一方面目前已经有 了很多相关研究, 在植物中的路径机制已经比较清楚, 通过 5- 甲基胞嘧啶糖苷酶和碱基去除修复路径清除 多余胞嘧啶的甲基化。但是在动物中, 虽然已经有各种证据证明了主动去甲基化的存在, 但是其作用机制仍然存在争议
甲基化转移酶
Dnmt1 Dnmt1
Dnmt1 包含1573 个氨基酸，其C 端为保守的催化甲基化反应结构域；Dnmt1 主要是维持DNA 的持续甲基化状态，使DNA 分子中未甲基化的那一条子链甲基化，从而保持子链与亲链有完全相同的甲基化形式，因此Dnmt1 是一种维持甲基转移酶。
Dnm3a和Dnm3b Dnmt3
Dnmt3a 和Dnmt3b属于重新甲基化酶，参与DNA 甲基化的从头合成，即对没有甲基化的DNA 链进行甲基化;Dnmt3L 是一种相关蛋白调节因子，本身不具有DNA 甲基化功能，但可调节Dnmt3a 和Dnmt3b的活性，其氨基酸序列与Dnmt3a 和Dnmt3b 极其相似，但在C 端区域缺少DNA 甲基化转移酶活性所必需的相关物质
甲基化的相关研究
不同物种DNA甲基化情况
哺乳动物
在哺乳动物中CpG 以两种形式存在: 一种分散存在于DNA 序列中；另一种呈现高度聚集状态，即CpG 岛。在正常组织里，70% ～ 90% 分散存在的CpG 是被甲基化修饰的，而CpG 岛则是非甲基化的。正常情况下，人类基因组非CpG 岛序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，人类基因组中大小为100 ～ 1000bp 左右，富含CpG 二核苷酸的CpG 岛则总是处于未甲基化状态，而CpG 岛常位于转录调控区附近，与56%的人类基因组编码基因相关，因此基因非转录区CpG 岛的甲基化状态的研究就显得十分重要。人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG 岛约为28890个，大部分染色体每1Mb 就有5 ～ 15 个CpG 岛，平均每Mb 含10.5 个CpG 岛，并且CpG 岛的数目与基因密度有良好的对应关系。
无脊椎动物
在无脊椎动物中，DNA 甲基化主要发生于基因内部，基因间区大部分未被甲基化，重复序列或转座子区域的甲基化情况在昆虫中几乎不存在。在无脊椎动物中，外显子和内含子的甲基化模式也表现出较大差异，如在牡蛎中，外显子和内含子存在较高的甲基化水平，而在金小蜂中，内含子的甲基化水平却要显著低于外显子。
植物
研究表明，从基因表达方面研究有利于解释杂种优势的机理，可以利用甲基化手段分析亲本与杂交种之间存在的表型差异。Tsaftaris[19]等人对玉米杂交种和亲本甲基化MSAP 分析表明，亲本的甲基化程度明显高于杂交种，由此认为杂种优势可能与DNA 甲基化程度降低有关。
DNA 甲基化还可以解释作物之间的表型独立特性。基因组DNA 被甲基化修饰后，影响其对环境的胁迫应答。由于植物的分生组织产生生殖细胞，所以在形成分生组织前的表观遗传可直接传递给后代。非生物的逆境胁迫，如盐，干旱，热，抗生素等，都会引起甲基化水平的改变
疾病
肿瘤
DNA 甲基化影响到基因的表达,与肿瘤的发生密切相关。甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素,它包括基因组整体甲基化水平降低和CpG岛局部甲基化程度的异常升高,这将导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达) 。把癌基因组学与表观遗传学的研究结合起来,是癌症研究的发展趋势。人类的一些癌症常出现整个基因组DNA 的低甲基化,但人们并不清楚这种表观遗传变化是肿瘤产生的诱因还是结果。研究者构建了携带低表达水平Dnmtl 基因的小鼠,对它的研究结果显示,DNA 低甲基化可能通过提高染色体的不稳定性来促进肿瘤的形成。同时指出,通常使用DNA 甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症,其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA 低甲基化的治疗方式,可能在防止一些癌症发生的同时,也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题。
糖尿病
最新研究表明2型糖尿病（T2DM） 是由遗传因素和环境因素交互作用引起的复杂的多基因遗传病。表观遗传在T2DM的发生中发挥着重要的作用，通过microRNA、DNA 甲基化及组蛋白修饰等影响胰岛β 细胞的发育和分泌功能，降低机体对胰岛素的敏感性，最终导致T2DM 的发生。
心血管疾病
虽然高血压的发病机制尚未完全阐明，但是证据显示表观遗传学机制是疾病发生过程中将基因型与表型联系起来的纽带。DNA甲基化作为一种常见的表观遗传修饰，与各类心血管疾病相关。
老年退行性疾病
DNA 甲基化维持细胞功能、遗传印记、基因表达的时空特异性中起重要作用。 年龄相关的DNA 甲基化改变，涉及到老年个体中的代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病的发生与发展。
展望
对表观遗传的研究不仅仅在于发现新的修饰及其酶, 更在于发掘出其深层的生物学意义。将特定的表观修饰与生物学过程连接起来, 是表观遗传研究 者的一大目标。同时, 构建调控网络, 找出该修饰 在特定生物学过程中赖以起作用的关键基因, 在表观 遗传与疾病发生的研究中也有着重要的意义。就DNA 表观修饰研究而言, 一方面, 对于新发现的真核生物中 5hmC存在的意义有待进一步研究,另一方面, 确定 DNA 去甲基化酶及其作用机理、生 物学意义及其在疾病过程中所发挥的作用, 仍需要更 进一步的探索。
实战
在读完这么长的文章，你一定会在想获取一些实战经验。没问题，生信技能树正好在前几个月提供了关于ChIP-Seq的表观遗传数据分析的实战。
下面是实战的链接，请有兴趣的小伙伴继续学习：
实战分享一
实战分享二
References：
http://blog.sciencenet.cn/blog-2636671-981985.html
https://www.zhihu.com/question/26512948
https://baike.baidu.com/item/表观基因组学
https://zh.wikipedia.org/wiki/表觀基因組
The summary of reserach on DNA methlayion. By 郭文媛
本文作者：lakeseafly
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