表观遗传学

介绍

行为或社会表观遗传学的新科学领域旨在彻底改变我们对人类发展的理解。我们描述了表观群和最近关于表观遗传过程中的最近发现的生物学，这些过程中早期影响基因表达作为人类发展的胚胎阶段。

主题

DNA深藏在细胞核深处，就像图书馆书架上的书，等着被打开、阅读和转录，以揭示用来制造我们身体所需的生命物质的指令。¹“表观遗传学”这个词包括“遗传学”这个词和希腊根EPI，这意味着在或结束。有许多不同类型的表观遗传机制。这些包括DNA甲基化，组蛋白修饰和由小RNA分子的基因表达的调节，这些小RNA分子不用于蛋白质（NCRNA）。表观遗传学科学看着标记DNA的过程，并且可以改变基因表达而不改变DNA的底层遗传序列。²表观遗传学在发展研究方面有着悠久的历史。它对基因调控的贡献是已知的，在胚胎发育过程中，在细胞分化成独特的细胞类型中发挥作用。^3.

问题

该领域研究的目标之一是了解表观基因组的变化如何影响儿童的发育路径(轨迹)。这些发展轨迹可以从适应到不适应。表观遗传修饰可能对儿童福祉产生影响，包括认知和社会情感发展以及心理和身体健康。

上下文

“表观遗传学”一词在1869年被法国生物学家兼人类学家阿尔芒·德·夸特法日(Armand de Quatrefages)使用，他写道:“如今，我和每个人一样，都承认表观遗传学的学说。每一个正常的卵子产下一个不正常的个体，都会受到外界因素的影响;这就是我所说的环境行动。”⁴随后，康拉德·沃丁顿(Conrad Waddington)将表观遗传学用于发育背景，他认为胚胎的发育是通过他所称的“表观遗传学景观”展开的。⁵他的模型说明了一个未分化细胞可能走向分化(例如成为一个大脑或肝细胞)的发展路径。在他的比喻中，有许多球(细胞)从山上滚下来。每个球在斜坡的凹槽中减速，并在最低点停下来。这些最低点是组织类型——每个细胞最终会变成，它的细胞命运。景观的形状(山的轮廓)是胚胎基因和环境相互作用的结果。这个比喻揭示了基因调控是如何调节发育的。虽然在Waddington的时代分子生物学和基因-环境相互作用的知识还很缺乏，但他的见解仍然适用于今天。最近的表观遗传学研究已经确定了参与发育和细胞分化的分子过程。

在细胞分化后，预先发生的更大变化发生，涉及基因和环境之间的相互作用。行为或社会表观表观遗传学的新领域侧重于我们的经验如何嵌入我们的生物学中。⁶

最近的研究结果

表观遗传过程

这里描述了改变基因表达的三个表观遗传过程。第一种是DNA甲基化，在哺乳动物中得到的研究最多。DNA甲基化作用如同DNA上的结构覆盖物。它在DNA上添加一个标记，根据它在DNA序列上的位置，它可以改变基因的表达，也就是基因产生的信使RNA (mRNA)的数量。基因调控对于确定在发育中的生物体中哪些基因在哪些时间和位置表达也很重要。科学家最近发现DNA甲基化是可逆的。⁷

第二个过程是组蛋白修饰。组蛋白是一种蛋白质，可以将DNA链缠绕成捆绑单元，就像项链上的珠子一样。可逆的化学标签可以修饰组蛋白的特定部分，使DNA包装松弛，使基因更容易转录和表达，或者使基因收缩，使基因转录和表达更加困难。科学家最近提出了一个关于“组蛋白语言”的可行理论，其中不同的组蛋白修饰组合可能负责驱动与记忆存储和提取相关的某些过程，以及与认知障碍、精神分裂症和抑郁症相关的行为。^8,9.有趣的是，最近的一些研究表明，通过抗抑郁药物治疗，一种已知与慢性压力有关的特定基因的组蛋白修饰有可能逆转大脑变化。¹⁰

信使rna分子负责传递制造蛋白质的DNA指令。第三，新发现的表观遗传过程涉及小的非编码RNA (ncrna)，它们通过促进DNA的压缩或导致转录的信使RNA降解来干扰特定基因的表达。¹¹这些ncRNA分子已经在大脑中大量发现。ncrna的表观遗传标记过程与一些认知和行为障碍有关，例如脆性X综合征。

这三个表观遗传过程——DNA甲基化、组蛋白修饰和ncrna——并不是完全独立运作的。最近的研究发现，DNA甲基化会促使其他物质进入位点，从而减少组蛋白的修饰，然后这两个过程共同作用，阻碍基因转录。组蛋白修饰也可以抑制附近的DNA甲基化。此外，小的ncrna和DNA甲基化也会影响彼此的存在和作用。¹²

胚胎发生中细胞的表观遗传分化

早期胚胎发育依赖于发生在细胞分化和发育的早期阶段的关键表观遗传程序。¹³在受精之前，蛋和精子细胞均经历广泛和复杂的表观遗传重塑过程。¹⁴标记精子或卵细胞基因的表观遗传修饰只能导致一个亲代基因副本被表达，这种影响已经在近400个人类基因中观察到。在受孕后，一个进一步的、高度调控的表观遗传校准过程会发生，影响大约2万至2.5万个负责编码蛋白质的基因的表达。²

研究的空白

神经发育，动态变异和表观遗传学

哺乳动物的大脑发育需要一个精确协调的基因调控序列，其中一些是表观遗传的，以便产生和定位神经元和胶质细胞。²大脑中的表观遗传调节还可以影响多种复杂的神经功能，如记忆形成、学习和应激反应回路的校准。¹⁵表观遗传标记之间关系的因果机制，大脑如何发展和职能仍有待阐明。

已显示DNA甲基化和组蛋白修饰中的广泛和区域化偏移，以正常脑发育的关键阶段进行^16,17.以及发育和心理健康方面的特殊障碍^18、19、20DNA甲基化，组蛋白修饰和NCRNA可以解释对男性和女性之间各种形式的精神病理学易感性的差异。^21日,22日科学家们还发现，在自闭症谱系障碍和其他神经发育综合征患者的数百个基因位点中，独特的表观遗传标记之间存在相关性。^23,24表观遗传过程也可以解释为什么唐氏综合征儿童没有显示出预期的50％较大的表达染色体的三倍，²¹表明，同型认知缺陷可能是由于表观遗传过程，因此，具有靶向药物干预措施可能可修饰。

研究挑战

科学家们对研究人的表观蛋白酶有重大挑战。表观遗传标记最常与基因表达的变化无关。基因表达的变化可能来自许多机制，其中一些机制只涉及表观遗传修饰。表观蛋白酶可以响应环境信号和条件激活或去激活基因。不同的组织类型具有不同的表观遗传曲线，因此不能可靠地从一种类型到另一个类型来吸取的结论。例如，脑细胞中的表观遗传状态与上皮细胞细胞中存在的表观遗传状态不同。一些组织类型，如脑组织仅在验尸中可用，因此大规模的研究必须依赖于替代组织。大多数动物和人类研究表观蛋白酶体和经验之间的关系表明相关性而不是因果关系;新的研究必须旨在将这些相关性与因果水平接受。由于它更容易专注于迄今为止学习DNA甲基化，因此仍然有很多关于其他表观遗传标记过程的功能。

结论

表观基因组可以在不改变潜在DNA序列的情况下改变基因的表达，并负责胚胎早期发育中的细胞分化。经历和环境暴露，特别是在生命早期，可能会导致表观遗传标记的放置或去除，表观遗传标记被认为是调节神经发育的基础，而神经发育是学习、行为和精神健康受损风险的基础。

含义

鉴于最近发现一些表观遗传过程是可逆的，并表明发育可塑性的潜在机制，⁷科学家们正在研究治疗慢性压力的靶向药物，⁹癌症，神经和精神疾病。²⁴

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