于文強

復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，復(fù)旦大學(xué)代謝與分子醫(yī)學(xué)教育部重點實驗室，上海 200032

生命之初，新在哪里：我們?yōu)楹紊煌?

于文強?

復(fù)旦大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究院，復(fù)旦大學(xué)上海醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室，復(fù)旦大學(xué)代謝與分子醫(yī)學(xué)教育部重點實驗室，上海 200032

新生命究竟“新”在哪里？經(jīng)典的遺傳學(xué)觀念認(rèn)為基因決定表型，但同卵雙生的雙胞胎基因幾乎完全相同，為何依然存在很大差別？越來越多的研究證實，代際間的表觀遺傳改變決定了我們生而不同。表觀遺傳學(xué)是指獨立于DNA序列改變的遺傳，主要包含DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA等。本文生動形象地介紹了表觀遺傳的概念及核心內(nèi)容，重點描繪了表觀遺傳修飾(包括DNA甲基化和組蛋白修飾)在早期胚胎發(fā)育過程中的動態(tài)變化，有助于我們深入理解表觀遺傳在新生命發(fā)生過程中的作用。

新生命；表觀遺傳學(xué)；早期胚胎發(fā)育；DNA甲基化；組蛋白修飾

《圣經(jīng)》上說：人“必須重生”。從生物學(xué)角度，“重生”意味著在已有生命的基礎(chǔ)上再造一個新生命。嬰兒孕于母胎，發(fā)育生長直到出生，這是生命的奇跡，無窮無盡的奧秘蘊藏其中。所謂的“生容易、活容易，生活不容易”，那是因為對生命誕生的本質(zhì)不了解，實際上“生”才是最不容易的事，可謂“九死一生”。

生命誕生之初，千萬精子大軍各顯神通，最后只有一個幸運兒能夠在“黑燈瞎火”中遇到它夢中的“情人”，其他的精子只能是“出師未捷身先死，長使英雄淚滿襟”了。但這只是萬里長征第一步，能否修成正果，取決于受精后序貫發(fā)生的一系列生命事件。生命的誕生是一場不容有任何差錯的接力賽，稍有差池必將萬劫不復(fù)。

1 表觀遺傳推動著生命的有序變化

生命如此奇妙，千百年來引無數(shù)英雄競折腰。有多少人在一遍又一遍地拷問，生命究竟是什么？問題看似簡單，但從不同的角度就有不同答案，難以給出一個標(biāo)準(zhǔn)答案。然而，生命現(xiàn)象又無時無刻不發(fā)生在我們周圍，從低等生物到高等生物，從肉眼看不見的細菌到郁郁蔥蔥的大樹，從討厭的蚊蠅到惹人愛憐的寵物，再到自詡為“萬物之靈長”的人類，它們共同讓這個星球生機盎然。

生命有一個共同的特征：必須有一段特定的序列。DNA(或RNA)序列由腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)(或尿嘧啶)、胞嘧啶(C)和鳥嘌呤(G)4個簡單的字母(堿基)組成；而執(zhí)行生命功能的蛋白質(zhì)由20種不同的氨基酸所組成。但實際上，當(dāng)一個生命個體死亡后，其DNA序列具有一定的穩(wěn)定性，還會存在很長一段時間，因此“序列就是生命”這一說法并不準(zhǔn)確。

那生命又是什么？生命的另一個特征是有序的變化。如隨著季節(jié)的更替，樹葉由綠而黃，所謂的“一葉知秋”就是對變化生命的完美詮釋。類似地，人從出生那天起，就要慢慢地長大，從懵懂的幼兒到朝氣蓬勃的少年，從躊躇滿志的青年再到成熟穩(wěn)重的中年，最后步入白發(fā)婆娑的老年。人生是一條單行線，所謂的長生不老或返老還童僅是美好的愿望和夢想，這些只是科幻電影或童話故事中的橋段。因此，有序變化是生命的重要特征，從另一個角度來講，永葆青春也許意味著生命的終結(jié)。有序變化才是生命永恒的主題！

在變化的生命長河中，是什么推動著生命有序變化和生生不息？那就是表觀遺傳學(xué)(epigenetics)。簡單來說，表觀遺傳是不依賴于DNA序列的遺傳。它主要包括三個相對獨立又相互關(guān)聯(lián)的方面：DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA的調(diào)控[1](圖1)。我們從父母那里繼承DNA序列，但在我們短暫而又漫長的人生中，它們幾乎不會變化，而DNA之外的信息卻隨時隨地在變化著。生命不僅要有變化，還必須對外界的刺激做出反應(yīng)。同卵雙生的雙胞胎盡管有幾乎完全相同的DNA序列，但他們總會存在這樣或那樣的不同。類似地，世界上沒有兩片相同的樹葉，這些用遺傳學(xué)理論很難解釋的現(xiàn)象，用表觀遺傳學(xué)可迎刃而解。生命的表觀遺傳特征讓世界變得精彩異常。

生物體對外界環(huán)境變化的響應(yīng)是生命現(xiàn)象的另一個重要特征。生物體中內(nèi)在表觀遺傳變化正是生命自身對外界環(huán)境的忠實記錄和總結(jié)，因此從這個意義上來說，表觀遺傳學(xué)是連接生命衍變與環(huán)境響應(yīng)的橋梁。

圖1 表觀遺傳調(diào)控機制：DNA中的堿基序列構(gòu)成遺傳學(xué)信息，而DNA甲基化、組蛋白修飾、組蛋白變體以及非編碼RNA等在不同的層面調(diào)控基因表達[1]

2 生命之初，表觀遺傳就已執(zhí)行任務(wù)

伴隨著新生兒的第一聲啼哭，一個新生命誕生了。人們習(xí)慣于將出生的那一天看成是新生命的開始，但這僅僅是社會屬性賦予的意義。一個人生物學(xué)意義的誕生之日，即真正起點，是精子和卵子結(jié)合形成一個獨一無二的新細胞的那一刻，因此，受精卵才是新生命的開端。受精卵經(jīng)過卵裂，形成2個細胞，然后經(jīng)過4細胞期、8細胞期，最后到囊胚期，經(jīng)由輸卵管進入宮腔，在子宮內(nèi)膜著床發(fā)育。這個過程就像種子扎到土壤中一樣，最后發(fā)育成一個新的生命個體。

新生命的誕生并不像描述得那么簡單，而是存在著各種機緣巧合。通俗地講，就是要具備天時、地利、人和。卵子排出后僅可存活1天，而且只有前半天有受精能力，精子必須在這段時間遇到卵子才能受精，這便是天時。何為地利？卵細胞直徑大小約0.2 mm，而精子總長度約0.05 mm。如果將輸卵管比作高速公路，大部分精子在這場馬拉松式的長跑中，只能遺憾地與卵子擦肩而過，失去受精的機會，所以跑得好、跑得快，不代表趕得巧。不僅如此，輸卵管中的環(huán)境也是受精卵發(fā)育的重要條件，因為在體外普通細胞培養(yǎng)條件下，受精卵根本就不會分裂，即使勉強到二細胞期也會停止分裂，稱為“二細胞魔咒”。現(xiàn)在廣泛使用的干細胞培養(yǎng)基配方也是得益于對輸卵管液的成分解析。所謂人和，就是受精卵在分裂到4細胞期時必須要有一個沒有遺傳缺陷的正常細胞。有研究表明，在胚胎早期的4細胞期中經(jīng)常有3個細胞都是不能正常發(fā)育的“壞”細胞，它們存在染色體斷裂或缺失，可能原因是胚胎早期全基因組DNA低甲基化導(dǎo)致的染色體不穩(wěn)定。想象一下，最后那個沒有缺陷的細胞“獨苗”，還需要經(jīng)過近10個月的發(fā)育，才能真正地形成一個完整的生命個體，正所謂“艱難困苦，玉汝于成”。從這個角度來講，每一個出生的個體都是自然選擇的勝利者，生命歷程中的幸運兒。所以，我們的人生歷程和“歷經(jīng)磨難的出生”比起來，簡直不值一提。尚未出生，我們就趟過千難萬險。

3 新生命不同凡響的“新”意義

每一個生命誕生，我們總將其稱之為“新生命”，但“新”在哪里？我們與父母親有哪些不同？從遺傳學(xué)上講，生命的“新”是因為我們將父母的遺傳物質(zhì)合二為一，數(shù)學(xué)公式：1+1=1，在此條件下依舊成立。細胞中的46條染色體一半來自父親，另一半來自母親，依此看來我們是“新人”。但我們的兄弟姐妹也同樣繼承了父母各自一半的遺傳物質(zhì)，跟他們比起來，怎么理解我們依然是“新的”，尤其是同卵雙生的雙胞胎？雖然他們的遺傳物質(zhì)幾乎完全相同，但還是有這樣或那樣的不同，形似而神不似，看來僅憑遺傳學(xué)，很難理解一個嶄新的生命。

從另一個角度看來，在新生命的誕生初期，受精卵的發(fā)育分化經(jīng)歷了巨大的表觀遺傳學(xué)變化。人體DNA序列的A、T、C、G四種堿基，其甲基化一般發(fā)生在胞嘧啶C上，其檢測和功能研究是表觀遺傳學(xué)的核心內(nèi)容。利用DNA甲基化抗體進行免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)，在胚胎發(fā)育早期全基因組DNA甲基化明顯減少，父原核的DNA甲基化最先去除，在4細胞期DNA甲基化僅剩下為數(shù)不多的熒光斑點，這種低甲基化狀態(tài)一直維持到囊胚期，當(dāng)胚胎在子宮著床后DNA甲基化迅速得以恢復(fù)[2](圖2)。

需要強調(diào)的是，雖然來自父母的甲基化都要經(jīng)歷一個去甲基化的過程，但是去甲基化的速率明顯不同。單堿基分辨率的全基因組DNA甲基化測序分析發(fā)現(xiàn)，來自父原核的DNA甲基化36 h內(nèi)降到最低，但是來自母原核的DNA甲基化去除需要較長時間，這提示來自父母雙方的甲基化去除并不同步。事實上，胚胎細胞的DNA甲基化并不需要全部去除，大約會保留20%[3]。這一點非常重要，至少目前認(rèn)為印跡基因DNA甲基化必須受到特殊保護并確保不被去除，因為印跡基因保證了某些基因分別由父源或母源表達，這才有了新生命的誕生過程中“爸爸媽媽一個都不能少”的說法，而這些DNA甲基化對維持印跡基因表達調(diào)控具有重要作用(圖3)。

我們不禁要問，為什么在胚胎早期發(fā)育中，來自父母的基因組DNA甲基化要經(jīng)歷一個去甲基化過程，然后又要恢復(fù)到一個正常的甲基化水平[4]？一個較為經(jīng)典的解釋就是，我們每一個新生命必須將父母的表觀遺傳學(xué)特征全部去除，然后在此基礎(chǔ)上形成我們每一個生命個體獨特的甲基化譜系，進而造就我們獨一無二的新生命，這種解釋看似合理，實際上還需要大量實驗佐證。

4 甲基化一降一升，彰顯生命更替

胚胎早期的DNA去甲基化，隨后再甲基化到一定的水平，這一獨特的生命現(xiàn)象還有其他生物學(xué)意義嗎？有研究表明，如果阻斷胚胎早期的DNA去甲基化過程，胚胎的正常發(fā)育就會停止。此外，如果用DNA甲基化的抑制劑處理細胞，降低全基因組DNA甲基化水平，將有效促進iPS細胞的形成或提高核移植的效率[5]，說明DNA的去甲基化過程是胚胎發(fā)育的重要前提條件。另外一個很重要的問題是，胚胎早期的去甲基化過程是一個主動的過程還是一個被動的過程？目前的證據(jù)傾向于DNA去甲基化在胚胎發(fā)育中是一個主動的過程，至少父源基因組是通過去甲基化酶Tet3介導(dǎo)的，這種酶會將甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥基胞嘧啶，再經(jīng)過一系列的氧化過程，最后通過DNA的堿基切除、修復(fù)，完成DNA的去甲基化[6-7]。母源性的基因組有部分證據(jù)顯示是通過細胞分裂被動稀釋完成去甲基化過程的，但更多的證據(jù)支持母源性DNA也存在主動的去甲基化過程。

圖2 小鼠胚胎早期DNA甲基化的擦除[2]。(a)～(e)小鼠一細胞胚胎的5-甲基胞嘧啶免疫熒光：(a)受精后3 h合子中兩個原核(＞10)的甲基胞嘧啶標(biāo)記(圓括號中的數(shù)字表示分析的胚胎數(shù))；(b)6 h的雄原核和雌原核(＞10)；(c)8 h后的甲基化的雄原核(＞20)，小一點的雌原核保持甲基化；(d)阿非迪霉素處理的一細胞胚胎在雄原核(＞20)中顯示出去甲基化；(e)第一個細胞中期。(f)～(j)對照組，一細胞胚胎的抗DNA的免疫熒光顯示兩套染色體都可以接觸抗體分子：(f)3 h(＞5)；(g)6 h(＞5)；(h)8 h(＞5)；(i)阿非迪霉素處理(＞5)；(j)第一個細胞中期。(k)和(i)2細胞期胚胎甲基化胞嘧啶染色，分別為22 h(＞20，(k))和32 h(＞20，(i))，顯示雄性和雌性組分含有不同的甲基化水平；(m)4細胞期胚胎在45 h(＞10)。雌性的甲基胞嘧啶染色比2細胞胚胎期的弱。比例尺：10 mm

令人不解的是，胚胎早期Tet3介導(dǎo)的DNA去甲基化過程的最后一步，是通過DNA的堿基切除修復(fù)完成的[8](圖4)。在精卵結(jié)合后的36 h內(nèi)完成大量堿基切除、修復(fù)且要維持基因組的穩(wěn)定，似乎又是一個不可能完成的任務(wù)。此外，早期胚胎發(fā)育為什么要冒破壞基因組穩(wěn)定的風(fēng)險來完成DNA的去甲基化過程？有人提出胚胎早期DNA的去甲基化過程，也許存在由其他因子介導(dǎo)的直接的或一步的去甲基化過程，而這需要更多的證據(jù)加以證明。

圖3 胚胎發(fā)育過程中的DNA甲基化動態(tài)變化[4]

圖4 著床前胚胎5-甲基胞嘧啶及其氧化產(chǎn)物的動態(tài)變化[8]

有意思的是，生殖細胞在發(fā)育過程中也要經(jīng)歷一個全基因組DNA甲基化的去除再恢復(fù)的過程[9](圖5)。有證據(jù)表明Tet3也參與了這一過程[10]，而且，DNA甲基化的恢復(fù)在男孩和女孩間有所不同，男孩在出生后生殖細胞的DNA甲基化就得到恢復(fù)，而女孩要等到月經(jīng)初潮時DNA甲基化才完全恢復(fù)，而這其中的機制目前尚不清楚。生殖細胞的DNA甲基化的動態(tài)變化更加凸顯了生命的神奇之處，我們的下一代已經(jīng)將尚處在胚胎時期的個體DNA甲基化去除，然后形成生殖細胞特有的DNA甲基化模式，如此循環(huán)往復(fù)，保證我們生命延續(xù)過程的一次又一次更新，一代又一代相似而不同。

DNA甲基化，作為重要的表觀遺傳學(xué)標(biāo)志，其在胚胎早期的變化揭示了我們的個體不同于父母的表觀遺傳學(xué)上的原因，而組蛋白修飾作為另一種表觀遺傳學(xué)的調(diào)控方式在胚胎早期同樣經(jīng)歷了一系列的變化[11]。參與基因激活的精子來源的組蛋白修飾H3K4me3會在受精卵中被擦除，而卵細胞中的一種較為寬泛的組蛋白修飾H3K4me3(非經(jīng)典修飾)在受精卵的早期短暫保留后在二細胞末期也會被迅速擦除，然后胚胎再建立起新的經(jīng)典H3K4me3模式[12-14]。

與DNA甲基化動態(tài)變化不同，這種新的組蛋白修飾模式不是在胚胎著床后才建立，而是提前到二細胞末期就逐步建立起來。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，參與基因沉默的組蛋白修飾H3K27me3則呈現(xiàn)不同的動態(tài)變化[11-13](圖6)。在受精后，精子來源的組蛋白修飾H3K27me3很快被擦除，而卵子來源的H3K27me3僅在發(fā)育相關(guān)基因的啟動子區(qū)域被擦除，隨后在胚胎著床后這種組蛋白修飾H3K27me3又會重新建立，這種卵子來源的與基因沉默有關(guān)的修飾跟DNA甲基化類似，共同形成生命個體獨有的表觀遺傳學(xué)模式，開啟生命延續(xù)的新征程。

圖5 發(fā)育過程中的DNA甲基化動態(tài)變化[9]

圖6 小鼠早期胚胎發(fā)育過程中的H3K27me3動態(tài)變化[11]

5 新生命，新起點，探索永在路上

“龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞”，這種說法承載了親代與子代生物學(xué)行為和社會學(xué)行為的延續(xù)。然而，作為一個新生命，我們總想知道我們到底與父母親有哪些不同，這些不同又是如何形成的。每一個獨立的個體不僅從父母那里繼承了許多共同的東西，也有義務(wù)將它們遺傳下去。這里面既包含了遺傳學(xué)特性，也包含了表觀遺傳學(xué)特征，它們共同記錄了父母和祖輩的生活軌跡，也共同決定了我們與父母不同，即我們都是獨立的新生命。鑒于遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)存在相互作用和關(guān)聯(lián)，父母不同的遺傳物質(zhì)會相互影響，進而改變特定位點表觀遺傳學(xué)狀態(tài)，從而使我們有的地方像母親多一點，有的地方像父親多一點。

通過測定父母和子女外周血中某些特定細胞的基因組和表觀基因基因組學(xué)特征，進而找出父母親特征性單核苷酸多態(tài)性(SNP)，其決定了我們?nèi)伺c人之間的不同及患某種疾病的風(fēng)險。根據(jù)這些來自父源或母源的SNP，我們可判定來自父源或母源基因在子代的表達以及DNA甲基化情況。在此基礎(chǔ)上，我們就有可能判斷哪些特征來源于父母親的繼承，哪些是我們獨有的表觀遺傳學(xué)特征。

如果用不同品系的小鼠來完成這項實驗，就可以用更多的器官組織來驗證子代與親代遺傳與變異，其差別有多大，新生命到底有多“新”。新的生命，新的起點，探索永遠在路上。我們不僅想知道新生命“新”在哪里，更想知道為什么是“新的”以及如何完成“新的征程”。

編者按本文選自《知識分子》微信公眾號的“表觀遺傳學(xué)”專欄文章。

(2017年1月17日收稿)

[1] JONES P A, ARCHERT K, BAYLINS B, et al. Moving AHEAD with an international human epigenome project [J]. Nature, 2008, 454(7205): 711-715.

[2] MAYER W, NIVELEAU A, WALTER J, et al. Demethylation of the zygotic paternal genome [J]. Nature, 2000, 403 (6769): 501-502.

[3] GUO H, ZHU P, YAN L, et al. The DNA methylation landscape of human early embryos [J]. Nature, 2014, 511(7511): 606-610.

[4] WU S C, ZHANG Y. Active DNA demethylation: many roads lead to Rome [J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2010, 11(9): 607-620.

[5] BARRERO M J, BERDASCO M, PARAMONOV I, et al. DNA hypermethylation in somatic cells correlates with higher reprogramming efficiency [J]. Stem Cells, 2012, 30(8): 1696-1702.

[6] ITO S, SHEN L, DAI Q, et al. Tet proteins can convert 5-methylcytosine to 5-formylcytosine and 5-carboxylcytosine [J]. Science, 2011, 333: 1300-1303.

[7] HE Y F, LI B Z, LI Z, et al. Tet-mediated formation of 5-carboxylcytosine and its excision by TDG in mammalian DNA [J]. Science, 2011, 333(6047): 1303-1307.

[8] KOHLI R M, ZHANG Y. TET enzymes, TDG and the dynamics of DNA demethylation [J]. Nature, 2013, 502(7472): 472-479.

[9] SMALLWOOD S A, KELSEY G. De novo DNA methylation: a germ cell perspective [J]. Trends Genet, 2012, 28(1): 33-42.

[10] GU T P, GUO F, YANG H, et al. The role of Tet3 DNA dioxygenase in epigenetic reprogramming by oocytes [J]. Nature, 2011, 477(7366): 606-610.

[11] ZHENG H, HUANG B, ZHANG B, et al. Resetting epigenetic memory by reprogramming of histone modifications in mammals [J]. Mol Cell, 2016, 63(6): 1066-1079.

[12] LIU X, WANG C, LIU W, et al. Distinct features of H3K4me3 and H3K27me3 chromatin domains in pre-implantation embryos [J]. Nature, 2016, 537(7621): 558-562.

[13] WU J, HUANG B, CHEN H, et al. The landscape of accessible chromatin in mammalian preimplantation embryos [J]. Nature, 2016, 534(7609): 652-657.

[14] DAHL J A, JUNG I, AANES H, et al. Broad histone H3K4me3 domains in mouse oocytes modulate maternal-to-zygotic transition [J]. Nature, 2016, 537(7621): 548-552.

(編輯：段艷芳)

Why we are born to be different: starting from epigenetics

YU Wenqiang
Institute of Biomedical Sciences, Fudan University; Department of Biochemistry and Molecular Biology, Shanghai Medical College, Fudan University; Key Laboratory of Metabolism and Molecular Medicine, Ministry of Education, Fudan University, Shanghai 200032, China

Why we are born to be different? Canonical genetics believes that it is gene which determines phenotypes. However, it can not explain why identical twins with nearly the same sets of genes are still different in various characteristics. Emerging evidences support that what makes us different is epigenetics. Epigenetics refers to the study of stably heritable phenotype resulting from changes in chromatin without alterations in the DNA sequence, including DNA methylation, histone covalent modification and non-coding RNAs, etc. This review paper introduces the core concepts and contents of epigenetics vividly, depicting the roles that epigenetic modifications (DNA methylation and histone modification) play in the early embryonic development emphatically, which help us to better understand the role of epigenetics in the new life development.

new life, epigenetics, early embryonic development, DNA methylation, histone modification

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.01.003

*國家自然科學(xué)基金項目(31671308)、國家重點研發(fā)計劃(精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)專項)(2016YFC0900300)資助

?通信作者，長江學(xué)者特聘教授，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃“染色質(zhì)解碼的基礎(chǔ)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究”項目首席科學(xué)家，主要研究方向為非編碼RNA與染色質(zhì)修飾的互動與協(xié)調(diào)。E-mail: wenqiangyu@fudan.edu.cn