探索令人兴奋的表观遗传学领域

克里斯——20世纪50年代，在剑桥大学工作的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现了DNA的结构。DNA仅由4个不同的碱基或字母——A、C、T、G——组成，它们连接在一起形成长分子，拼出基因单词或基因，它的功能有点像一本食谱，告诉你如何调制出它们发挥作用所需的化学物质。但是，不同种类的细胞需要使用不同的基因或配方来完成不同的工作，而如何控制这一过程在一定程度上可以归结为一种被称为表观遗传学的过程。

克里斯-加入我们来解释这是如何工作的是来自剑桥大学巴伯拉罕研究所的斯蒂芬妮·塞森伯格。你好,斯蒂芬妮。

Stefanie -你好。

克里斯-那么，这一切是如何运作的呢?

Stefanie -就像你说的，你体内不同的细胞需要承担完全不同的功能，这都取决于每个细胞中哪些基因是活跃的或不活跃的。所以，每个基因都有一个分子开关，可以打开或关闭基因，这些开关是我们在表观遗传学中研究的。

Chris -当你说“开关”时，它们是如何工作的?我们在这里讨论的是哪种开关?

Stefanie -表观遗传学的标志之一是DNA甲基化。它们是直接附着在DNA上的小化学基团，通常与关闭基因有关。但也有一种叫做组蛋白的蛋白质被DNA包裹着。我们知道DNA在细胞中被包裹得非常紧密。根据附着在组蛋白上的修饰，DNA可以被包裹得更紧或更松，根据这一点，一个基因可以保持活跃或不活跃。

克里斯-所以，这是一种二维的控制，不是吗?所以我们有一些东西可以物理地附着在DNA上然后一些东西会附着在DNA缠绕的蛋白质上，这影响了DNA的形状。因此，不管它是否被读取。

Stefanie:通过DNA序列本身或者DNA所包裹的蛋白质，有好几层或者好几种影响基因活性的方式。

Chris -这些标记物或化学基团是如何被添加到DNA或蛋白质上的?

Stefanie -有特定的蛋白质在起作用。有一种叫做DNA甲基转移酶的酶可以直接连接到DNA的甲基上，但也有一些蛋白质可以修饰它们的组蛋白。所以，你有几个可以访问的信号层。

Chris -所以我想它们就像微型机器，它们不停地在DNA上添加这些化学物质来打开或关闭它。

Stefanie -没错。

克里斯-当我们谈到一个细胞有一定的表观遗传图谱，一个细胞完成特定的工作比如说，一个皮肤细胞和一个肠道细胞相比，如果我比较两种细胞类型中那些标记的图谱它们在两种类型的细胞之间看起来是不同的。

Stefanie -完全不同。这就是我们所说的细胞身份——每个细胞都有特定的工作或特定的功能，每个细胞都有特定的表观遗传特征，反映了这种功能，这就是细胞知道自己是什么以及它必须做什么的基本原理。

克里斯-那么，我的肠道细胞的表观遗传特征是如何形成的呢?它怎么知道把这些标记放在细胞和皮肤细胞的正确位置呢?

Stefanie:所以，这可能在胚胎发育的早期就开始了。你从一个细胞开始。

克里斯-那是受精卵。

斯蒂芬妮:没错，然后进一步发育成一种叫做囊胚的结构。这里，你有胚胎干细胞，它们可以变成体内任何类型的细胞。这些细胞进一步发育，形成我们所说的某种细胞谱系或细胞身份。所以你会得到特定的甲基化标记或其他有助于细胞发挥特定功能的标记，这些标记可以在以后的生命中被进一步修改。

克里斯-所以，当胚胎分化成这些不同的谱系或细胞将产生不同的组织时，这些细胞会在分化过程中添加这些标记。所以，随着他们变得越来越专业。

Stefanie:没错，所以细胞的命运在胚胎中就已经决定了，然后你只需要加上它，最后就会得到越来越多的特化细胞。

Chris:那么，让我们来看看一个非常特殊和重要的组织，这个组织使我们的细胞能够繁殖，对于男性来说，这个组织是睾丸，对于女性来说，这个组织是正在发育的卵巢，用来制造她未来所有的卵子。它们必须产生一个细胞，精子或卵子，其中这些表观遗传标签已经被清除。

Stefanie -是的，所以它发生的时间甚至比那还要早。所以，在胚胎发育的早期，你已经把后来会成为精子或卵子的细胞分开了。在这些特殊的细胞中，发生的是表观遗传信息在全球范围内被完全重置。所以它们清除了所有的甲基化标记组蛋白标记也被重置。

所以你知道环境的影响不仅会影响母亲，还会影响她体内正在发育的孩子，但正如我们现在所知，这也会影响发育中的孩子体内的细胞，这些细胞后来会成为孙子孙女或对孙子孙女有贡献。所以，如果有任何环境影响以错误的方式留下了表观遗传标记，这些影响可以被消除，为第三代提供一个干净的石板。

Chris -但是相反，当一个女人怀了一个女儿，一个正在发育的女儿，那么这个女儿的卵子就会进入她的卵巢。所以，在某一点上，那里有三代人。一个是怀孕的女人，一个是她肚子里的孩子，还有孩子的孩子。

Stefanie -没错。这是三代人。所以，怀孕母亲的环境影响不仅会影响孩子，还会影响孙辈。

克里斯:我们是否知道在那个阶段这种消灭是真正全面的，还是说一个正在成长的婴儿可能受到来自母亲环境的各种因素的影响，这些因素可能会为婴儿的生命以及婴儿后代的生命设定基因?

Stefanie -我们不知道具体是怎么回事，但我们知道它确实发生了。历史上也有很多这样的例子，但是我们刚刚开始理解整个过程是如何工作的以及如何通过逃逸来解决重编程过程。

克里斯，艾米丽·苏厄德给我提了一个问题她刚刚发来了这个问题，她说，“表观遗传变化和偏好。”她问的是为什么你喜欢一些东西，为什么你不喜欢。“当你年老时喜欢某样东西，但年轻时不喜欢它，有没有可能是这些偏好中的一些——这显然是一个稍微简化的事情，但这是否可能是我们改变行为的一部分，或者我们变老的方式可能归结为表观遗传程序?”

Stefanie:是的，所以表观遗传学是衰老的一个非常重要的因素，这一点近年来变得越来越清楚。具体的性格特点或好恶，我不知道这在多大程度上取决于表观遗传学，但如果是这样的话，我不会感到惊讶。

克里斯:如果我们能扭转这种情况呢?因为特奥·吉布森已经联系过我了，他说:“有没有什么研究可以撤销一些已经做过的事情?”你提到了怀孕的母亲体内的婴儿是如何将未来的婴儿孕育在体内的。他在这里说，“如果我们父母在我们怀孕前的生活方式可以决定我们DNA表达的多少，那么有没有研究可以潜在地消除肥胖、糖尿病和成瘾的倾向?”

Stefanie:我不确定要不要做一些事情，但是只要有一个健康的生活方式，你就可以采取预防措施。简单地说，通过意识到你所做的，你所吃的，你所暴露的，会影响到后代，也许可以提高意识，帮助防止损害。

克里斯-斯蒂芬妮，非常感谢。Babraham研究所的Stefanie Seisenberger。