既然基因决定一个生命体的基本特征，那么某些基因是否表达，在何时进行表达，又是由谁来操控的呢？科学家通过对斑马鱼和小鼠的研究，发现了鱼类和哺乳动物各具特色的表观遗传现象。

　　

撰文/王京京（中国科学院北京基因组研究所）

　　

什么是表观遗传？

生命的奥秘在某些方面会以很有趣的现象表现出来。比如遗传基因完全相同的同卵双胞胎，在长大后，虽然彼此间外貌特征非常相似，人们依然可以通过性格、身材等方面的差异区分他们，这是为什么？这些差别既然不是"先天"的基因造成的，那么就该是"后天的环境影响"造成的，但"后天环境影响"的机制又是什么？这就是表观遗传的表现之一。

其实，表观遗传并不仅体现在环境对生命的影响中。比如对于一个人来说，他自身所有细胞的基因序列应当是相同的，但却有的形成了皮肤，有的形成了骨骼……这种对于生命活动的调节，也主要是通过表观遗传调控来实现的。

随着对生命过程研究的不断深入，人们渐渐发现，虽然基因决定了生命个体的许多特质，但是，基因并不决定一切。其间的奥妙在于，除了基因之外，还有一套建立于基因之上的系统来调控基因的表达，这个系统就是表观遗传。如果生命是一台计算机，而遗传信息是操控计算机的程序的话，那么基因序列就像是写好的程序代码，表观遗传则像是代码上的标记，每段代码上是否有标记，决定了这些写好的代码是否会被执行。正因为有表观遗传的存在，使得同样的基因可能有着不同的表达，这也是我们的世界能够如此千差万别而又神秘迷人的重要原因之一。

表观遗传学（epigenetics）是与遗传学（genetic）相对应的概念。从命名上看，表观遗传学仅比遗传学多了一个前缀"epi-"，这个前缀的意思就是"在……之上"，正呼应了表观遗传学是基于遗传学之上的一套调控机制。从内涵上，遗传学是指基因序列改变造成的基因表达变化，而表观遗传学则是指非基因序列改变造成的基因表达变化。

DNA骨架呈双螺旋结构，骨架中间是A-T、G-C构成的碱基对，其中C碱基上被甲基（高亮）修饰


表观遗传修饰的两种主要形式

　　

"修饰"遗传物质

表观遗传通过多种形式对基因发号施令，这些形式主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰等。其中DNA甲基化是发现最早，也是研究最为深入的一种表观遗传修饰形式。

我们知道，DNA序列是由腺嘌呤（A)、胸腺嘧啶（T)、胞嘧啶（C)、鸟嘌呤（G）这4种碱基经不同的排列组合方式形成的，一个个DNA就像一条条记载着各项生命指令的长长的纸条。为了便于储存这瀚如烟海的信息，生命体借助了一种善于结合DNA的结构蛋白—组蛋白：首先将线性的DNA缠绕在一个个组蛋白复合体上，然后再进一步盘旋折叠，形成遗传信息高度聚集的染色质，最终成功地将海量的遗传信息存放在一个个微小的细胞中。

虽然DNA序列中包含了众多的基因，但并不是所有基因都需要一直表达。基因必须要按照严格的指令，有序地开启或关闭，生命活动才能正常进行。调控基因表达最主要的指令形式就是表观遗传修饰，具体的方式是在DNA序列或者组蛋白上添加不同的"基团"，常见的如甲基（CH3-)、乙酰基（CH3CO-）等等，这些特殊基团的加入，会影响这些位置附近的DNA区域与相关的蛋白的结合能力，从而进一步影响基因表达的能力。这就相当于标记了哪些基因需要开启，哪些又需要关闭，实现了基因表达的有序调控。

通常提到的DNA甲基化就是在C这个碱基的5′位置上增加了一个甲基（CH3-)，就像是在原本的程序代码里增加了一个标记。这种修饰容易发生在CG一起出现时的C碱基上。在人的基因组中，CG位点仅占1%左右，但70%～80%这样的位点是被甲基化修饰的。DNA甲基化可以简单理解为基因的开关，即如果DNA的特定区段存在这种修饰形式，那么相应的基因表达就会减弱甚至关闭。如果甲基化标记发生了异常，将会引起生命活动的紊乱。某些人类疾病比如天使综合征、普拉德-威利综合征等，就是由于DNA甲基化的异常造成的。可见，生物体内的DNA甲基化信息对于个体生存和发育非常重要。

DNA甲基化标记是可逆的。目前已经观测到在不同的发育时期，或者不同的分化过程中，存在甲基化标签的增加和去除现象。向一段DNA序列上增加甲基化标记的过程是由DNA甲基转移酶实现的，但能够去除DNA序列上甲基化标记过程的酶目前尚不明确。

在个体发育过程中，大规模的DNA甲基化变化主要发生于两个阶段中：一是精子和卵细胞通过受精作用形成早期胚胎的过程，另一个是生殖细胞分化形成精子和卵细胞的过程。精子和卵细胞是非常独特的细胞类型，它们在受精作用后共同形成了能够分化为完整个体的早期胚胎。对于早期胚胎而言，精子和卵细胞对其基因组序列的贡献是等量的，但二者的DNA甲基化信息则存在着差异，这种差异信息需要在早期胚胎发育过程中整合成为一套独立而完整的表观遗传信息，才能指导胚胎发育正常进行。