傅继梁
同济大学医学与生命科学部
表 观 遗 传 学
（ epigenetics）
基因表达模式
一个多细胞生物机体的不同类型细胞
概 述
相同的基因型 不同的表型
基因表达模式 在细胞世代之间的可遗传性 并
不依赖细胞内 DNA的序列信息 。
决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表
达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有
组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体
的结构和功能协调是至关重要的。
基 因 表 达 模 式
(g ene expre ssio n pat tern )
基 因 表 达 模 式 的 信 息 标 记
表观遗传修饰
(epigenetic modification)
DNA分子的特定碱基的结构修饰
(如胞嘧啶的甲基化 )
染色质构型重塑 (chromatinremodeling)
(如组蛋白的构型变化 )
表观遗传 (epigenetic inheritance),通过有丝分裂或减数分
裂来传递 非 DNA序列信息的现象 。
表观遗传学 (epigenetics),则是研究不涉及 DNA序列改变的
基因表达和调控的可遗传变化的。或者说是研究从基因
演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学 分支 。
表观遗传
修饰机制
DNA甲基化和染色质重塑
基因组印迹
基因表达重新编程
X染色体失活
表 观 遗 传 修 饰 机 制
DNA甲基化 (DNA methylation)是研究得最
清楚,也是最重要的表观遗传修饰形式，主要
是基因组 DNA上的胞嘧啶第 5位碳原子和甲基间
的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为 5甲基胞嘧啶
(5-methylcytosine,5-mC)。
DNA甲基化
（一） DNA甲基化和染色质重塑
DNMT1
SAM
胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
DNA甲基化
DNA
复制酶
CH3
CH3
CH3
CH3
DNA甲基
转移酶
CH3
CH3
CH3
CH3
DNA复制后甲基化型的维持
DNA甲基化
结构基因 5’ 端附近富含 CpG二联核苷的区域称为 CpG
岛 (CpG islands)。
DNA甲基化
哺乳动物基因组 DNA中 5-mC约占胞嘧啶总量的 2%--7%，
绝大多数 5-mC存在于 CpG二联核苷 (CpG doublets)。
基因调控元件 (如启动子 )所含 CpG岛中的
5-mC会阻碍转录因子复合体与 DNA的结合，所
以 DNA甲基化一般与基因沉默 (gene silence)
相关联； 而非甲基化 (non-methylated)一般
与基因的活化 (gene activation)相关联。而
去甲基化 (demethylation)往往与一个沉默基
因的 重新激活 (reactivation)相关联。
DNA甲基化
Model for methylation-dependent gene silencing,The structural element of chromatin is the
nucleosomal core,which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones,Acetylation
of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional
activity,Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs),which in
turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation,convert-ing the chromatin into a
closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.
组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所
修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这
类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为 染色
质构型重塑 。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一
般与活化的染色质构型 常染色质 (euchromatin)和
有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与
浓缩的 异染色质 (hetero-chromatin)和表达受抑的
基因相关联。
染色质重塑
Epigenetics is an advanced biological system that selectively utilizes genomic information and is involved in
various fundamental phenomena,Specifically,it puts emphasis on the regulation of gene expression,through
DNA methylation,chromatin,and post-translational modification of proteins such as histones,Arrows
indicate possible functional interactions between them,DNA hypermethylation,histone hypoacetylation and
inactive chromatin repress transcription,In contrast,a transcriptionally active condition may encourage DNA
hypomethylation,histone hyperacetylation and active chromatin,Also,a particular chromatin structure may
be required for establishing DNA methylation,
研究还表明，组蛋白甲基化可以与基因
抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往
往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位臵。
例如，上述的 H3 Lys9甲基化最终导致了
基因的沉默；然而，位于 H3 Lys4的甲基化则
与基因的活化相关联。
红色链孢霉, 编码 H3 Lys9甲基转移酶的基因是 DNA甲基化所
必需的, 表明 DNA甲基化修饰过程接受来自染色质的指令 。
裂 殖 酵 母, 编码 RNAi相关蛋白质的基因一旦被剔除就会导
致 H3 Lys9甲基化的丢失和位于染色体的异染色质区的着丝
粒功能受损, 表明组蛋白的修饰又会受到 RNA干扰的指令 。
真核细胞中存在着一个由 RNA干扰, 组蛋白结构修饰和
DNA甲基化系统组成的一个表观遗传修饰网络, 能动地调控
着具有组织和细胞特异性的基因表达模式 。 机体的表观遗
传模式的变化在整个发育过程中是高度有序的, 也是严格
受控的 。
染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而
是在 DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态
的功能界面。
（二）基因组印迹
(Prader-Willi Syndrome,PWS)
1956年 A.Prader 和 H.Willi 父 源染色体 15q11-13区段缺失Prader-Willi综合征
Angelman综合征 1968年 H.Angelman 母 源染色体 15q11-13区段缺失
(Angelman Syndrome,AS)
PWS和 AS这一对综合征表明父亲和母
亲的基因组在个体发育中有着不同的影
响，这种现象被称为基因组印迹 (genomic
imprinting)。
近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本
等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性 (monoallelic activity)。
在父源和母源染色体上，这些调控元件的 CpG
岛呈现甲基化型的明显差异。
在 PWS和 AS患者中发现，微小染色体缺失集中
的区域有成簇排列的富含 CpG岛的基因表达调控元
件，称为 印迹中心 (imprinting centers,ICs)。
SNRPN的 23个
CpG二联核苷 父源 非甲基化
完全甲基化母源例如
差异甲基化 (differential methylation),父源和母源
染色体上的 ICs的甲基化呈现出分化状态。
Beckwith-Wiedemann综合征 (BWS)是一种过度生长综合
征,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤
易患倾向。
在长约 1Mb的该区段中至少有 12个成簇排
列的印迹基因，其中有些呈父源等位基因表达
模式，另一些呈母源等位基因表达模式，这些
基因分属两个 印迹域 (imprinted domain),它
们的印迹状态分别受控于两个 印迹调控区
(impriting control regions,ICR)。
它起源于染色体 11p15.5区段的多种能造
成该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗
传学调节机制异常。
启动子 （ P）, 差异甲基化区 （ DMR1）, 锌指蛋白 （ CTCF） 和
增强子 （ E） 对 Igf2和 H19的交互易换式印迹调节模式示意图
（ 为非甲基化 CpG岛, 为甲基化 CpG岛 ） 。
母源
P DMR1 E
Igf2 CTCF H19
父源 E
第一印迹调控区
Comparison of the imprinted IGF2/H19 domain on chromosome 11p15.5 with the DLK1/GTL2 domain
on chromosome 14q32.
Physical distances are indicated at the top of the diagram,CTCF binding sites are indicated as shaded
vertical rectangles,and black circles indicate the positions of enhancer elements,Differentially
methylated regions (DMR) are indicated,G1,G2,and G3 are shown as black bars and correspond to the
three areas analyzed for differential methylation,The position of the telomere (t) is shown relative to
each imprinted domain,The transcription units for each gene are shown as boxes,and the direction of
transcription for maternally and paternally expressed genes is denoted by arrows above and below the
boxes.
迄今已发现的印迹基因已有 50多个，分布
于基因组的 12个区域，大多成簇排列，其中许
多是疾病基因。虽多数印迹基因的作用机制尚
不清楚，然而几乎都与 DNA甲基化型的异常相
关联。值得注意的是涉及到不同亲本来源的印
迹基因的 DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过
程中建立的。
印迹基因的 DNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立
原始性细胞
（ 2n）
配子
（ n）
合子
（ 2n）
基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰,
这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心
来协调, 印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在
发育全过程中的维持和传递, 并导致以亲本来源特异
性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个, 而使另
一个沉默 。 研究表明, 在哺乳动物中相当数量的印迹
基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的 。
发育是一个高度有序的生物学过程, 是从一个全
能的受精卵开始到建成一个由 200多种具有组织和细
胞特异性的, 结构和功能各异的细胞组成的整体的过
程 。 组成机体的各个组分互相协同能执行精细, 复杂
且相互协调的功能, 如物质和能量代谢, 对病原生物
的抵御和免疫能力的获得, 高级神经系统功能网络的
建立, 两性生殖细胞的发生, 成熟和受精后的新生命
孕育, 以及与复杂多变环境之间的相互作用等 。
（三）基因表达的重新编程
对于一个生物机体来讲, 所有结构和功能各不
相同的细胞虽具有完全一样的基因组, 却有着很不
一样的基因表达模式 。 与组织和细胞特异性的基因
表达模式的建立和维持相关的细胞信息, 必需是可
以通过 细胞分裂而遗传的, 同时也应该
具备被删除和重建的潜在可能性 。
,多莉, 克隆绵羊的诞生雄辩地证明：一个来自成年
的哺乳动物的高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个
体的能力，也就是说细胞的分化并没有造成不可逆的遗传
物质修饰。
已完全分化的细胞, 其基因组在特定条件下经
历 表观遗传修饰重建 而为胚胎发育中的基因表达 重
新编程 (reprogramming)并赋予发育全能性, 为胚胎
发育和分化发出正确的指令 。 胚胎发育中表观基因
组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性
疾病。
原始性细胞 成熟性细胞 胚胎组织
受
精
卵
表观基
因组
个体发育过程中表观基因组的重编程
早期原始生殖细胞在沿着生殖系统管腔移行时, 原属体细胞型的表观遗传修饰 (包括基因组印迹 )会
被删除 。 在生殖细胞发生与成熟过程中表观遗传标记重新建立 (蓝线表示精子分化, 红线表示卵细胞
分化 )。 受精后会进行除印迹基因 (由黑色虚线表示 )以外的表观遗传修饰的删除与重建, 重建后的表
观基因组在组织特异性定型后被稳定地维持 。
表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感
◆ 在动物实验中, 改变胚胎培养液但会引起异常甲基化和印
迹基因 Igf2和 H19的表达失调, 甚至造成印迹性疾病 。
◆ 辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预了生殖, 而这
个时期正是表观遗传编程获得和维持的关键时期。 K.H.Orstavik
等曾报道经 卵细胞胞质精子注射 辅助后出生的儿童中,PWS/AS
和 BWS发生率增高现象，并在患儿中检测到包括 H19,Igf2在内
的多个印迹基因表达异常 。 这些结果提示有必要对经辅助生育
技术孕育的孩子作表观遗传学监测。
1992年 Q.Jaenish运用基因工程小鼠较为全
面地探讨了重新编程问题 。 他的实验表明, 核移
植克隆成功率极低的原因是 由于基因组表观遗传
状态重新编程的失败 。 他还认为, 所有的克隆 (
动物 )都是不正常的,存活下来或活得稍长的克隆
动物只是比早死的少一些异常而已 。 然而克隆技
术
却是研究表现遗传学的最公允的实验, 。
1961年 M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体
细胞的两条 X染色体中会有一条发生随机失活的假
说, 并认为这是一种基因剂量补偿的机制 。 以后的
研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中, 有一条
X染色体是完全失活并呈异染色质状态, 而在另一
个细胞谱系中同一条 X染色体又可以是活化的且
呈常染色质状态。
（四） X染色体失活
1996年 G.D.Penny等发现 X染色体的 Xq13.3
区段有一个 X失活中心 (X-inaction center，
Xic),X-失活从 Xic区段开始启动，然后扩展
到整条染色体。
Xist,X染色体失活特异性转录因子，是 X染色体上启动转录最早的基因。
Xce,在基因组中的组成与 X-染色体随机失活中的选择有关，当 Xce处于纯合状态
时，体细胞中的 X-失活是完全随机的，而杂合态时，失活不是完全随机的。
Tsix,位于 Xist下游的瞬时调控元件,与 CTCF可能协同起着 Xist的外源开关功能。
DXPas34,富含 CpG，包括一个 15Kb的微卫星重复序列，对 X-失活有一定调控作用。
Xic长约 1Mb,包括 4个已知基因,Xist,Xce,Tsix和 DXPas34。
X
染
色
体
失
活
过
程
模
式
图
失活 X染色
体特点
组蛋白 H4不被乙酰化
CpG岛的高度甲基化
表观遗传修饰异常引起的疾病主要可分为两大类：
★ 一类是在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观
遗传修饰的异常，有人称之为 表观突变 (epimutation)；
表观遗传与疾病
★ 另一类是与表观遗传修饰的分子机器结构与功能相关
的蛋白质编码基因有关的, 如 DNA甲基转移酶基因或差
异甲基化 CpG岛结合蛋白 CTCF基因的突变或表观突变。
Rett综合征是 一种 X连锁遗传性进行性神经系统疾
病，近年来的研究表明 Rett综合征的疾病基因是 X染色
体上编码 McCP2蛋白质的基因。
Rett综合征
McCP2 ( methyl-binding proteins,MBPs),是一
种 甲基结合蛋白,能专一性地识别甲基化的 CpG岛并与
之结合,其功能是作为分子榫头将染色质 修饰 复合
物 (chromatin-modifying complex,CMCs)和 DNA甲基化区域
连接在一起以阻遏基因的转录。
ICF综合征 是一种罕见的常染色体隐性遗
传病，主要病症是不同程度的免疫缺陷，并伴
以面部畸形和智力低下。患者至少有两种同型
免疫球蛋白的减少或缺失，并造成细胞免疫缺
陷。
ICF综合征
在分子水平上, 患者有典型随体序列 Ⅱ 和 Ⅲ 的低甲基
化 。 多个研究小组独立发现该病是能催化 DNA从头甲基化的
DNMT3B编码基因的突变所致 。 患者至少有两种同型免疫球
蛋白的减少或缺失, 并造成细胞免疫缺陷 。 此外, 淋巴细
胞分裂中 1号, 9号和 16号等多条染色体的环着丝粒区域的
不稳定性也明显增高 。 这些区域含一种卫星 DNA序列, 通常
是被甲基化的, 但在 ICF患者中几乎完全是非甲基化的 。 这
些序列被认为与着丝粒的功能和动基体装配有关 。
还有人发现 ICF患者的失活 X-染色体的 CpG岛和两个重
复序列家族 D4Z4和 NBL2的 DNA失甲基化 。 这些变化与基因组
中 5mC水平降低和某些染色体着丝粒周围区域重复序列的低
甲基化是相互吻合的 。 基因芯片的表达分析还显示, 患者淋
巴细胞中部分与免疫功能调节相关的基因表达水平下调, 但
未观察到这些基因启动子区甲基化型的变化, 提示 ICF综合
征中 DNMT3B基因的突变可能通过降低转甲基活性而减少了对
基因转录的阻遏作用, 从而间接影响了淋巴细胞部分基因的
表达模式 。
ATR-X
X连锁 α -地中海贫血 /智力发育迟滞
综合征 是一种 X-连锁疾病,致病基因突变
会引起特征性的发育异常，如严重的智力
低下,面部变形,α -地中海贫血、泌尿
生殖道畸形，甚至出现性反转表型。
致病基因 ATR-X编码一个含有植物的发育同源结构域 (PHD)的转录调节
因子,它通过修饰染色质的局部结构来调节转录，该蛋白质的 C末端结构域还
具有解旋酶 SNF-2家族成员的标志性结构。在细胞分裂间期和中期,ATR-X蛋
白质定位在着丝粒附近的异染色质区。
在 ATR-X患者中发现一些包括编码核糖体 RNA
的 rDNA等在内的高度重复序列的甲基化型发生了
改变。这些重复序列区域甲基化的严重减少, 加
上染色质重塑解旋酶 SNF-2结构域的存在,提示
ATR-X蛋白可能起着将 DNA甲基化和染色质重塑这
两类表观遗传修饰连接在一起的作用 。
是一种以智力低下为主要
症状的遗传性智力障碍综
合征 。
脆性 X综合征
(fragile-X syndrome)
致病基因 FMR1(fragile x mental retardation - I)
位于 Xq27.3,其最常见的突变是 5’ 端非翻译
区中 CCG三核苷酸重复序列的扩展。分析表明
(CCG)n重复序列扩展会引起 CCG中 CpG二联核苷
的甲基化，从而使 FMRI基因沉默。
Human FMR gene is located at Xq27.3
and contains 17 exons encoding FMRP,
This loss of function disease is due to
expansion of CGG repeat which results
in absence or deficit of FMRP by
methylation of full mutation,The CGG
expansion occurs in the first FMRP
exon which would be located within
the 5'UTR (untranslated region) of FMRP
mRNA.
D.Wohrle等的鼠源胚胎肿瘤细胞的 FMR-1转基因
实验也为 CCG 重复序列甲基化在脆性 X综合症发生中
的分子病理学作用提供了新的线索。当将携有 CCG重
复延伸并甲基化的脆性 X染色体转入肿瘤细胞后，会
导致去甲基化和 FMR-1基因转录的重新激活，并增加
(CCG)n重复序列的遗传不稳定性。
为了证实肿瘤细胞中确实发生了去甲基化反应, 又
用能诱导去甲基化反应的 5-氮脱氧胞苷处理脆性 X细胞,
结果使 FMR-1基因和乙酰化组蛋白 H3和 H4重新联结, 转
录也重新被激活 。 这表明脆性 X综合征患者的 FMR-1基因
沉默最初起因于延伸重复序列的甲基化, 这也是研究得
最清楚的一种因特定 DNA序列表现遗传修饰异常而导致的
一种疾病表型 。
表观修饰遗传对于控制基因转录和染色体稳定是
十分重要的 。 表观遗传信号甚至可以通过具有阻遏特
定基因转录的双链 RNA分子在细胞间的传递来影响别
的细胞的基因表达 。 虽然对于表观遗传修饰在疾病发
生中作用的认识还很不全面, 但 Holliday等人已经提
出了表观遗传病的概念, 其中包括多种复杂的遗传性
综合征, 印迹综合征, 免疫性疾病和中枢神经系统发
育紊乱等, 还包括衰老和癌症 。
早在 1979年 R.Holliday就曾经提出 DNA甲基化可
能在癌变过程中起着重要的作用。
1983年 A,P.Feinberg和 B.Vogelstein就发现癌
细胞中 DNA甲基化的总体水平低于正常细胞，肿瘤细
胞的低 甲 基化频繁发生于重复序列和在生物进化过
程中引入的外来 寄生性 DNA（ parasitic DNA)。
表观遗传与肿瘤
除了 DNA甲基化的总体水平降低之外，癌细胞往
往出现局部序列的高甲基化，高甲基化通常集中在启
动子等基因表达调控元件附近的 GpG岛。
DNA甲基化的异常可能是癌细胞中某些抑制恶性
生长的基因沉默的原因 。
从 1986年 J.B.Baylin等最初发现降钙素
（ calcitonin)基因在癌细胞中呈现出正常细
胞中不存在的异常甲基化起,迄今已发现 60
多个基因在癌细胞中显现异常甲基化。
在人类的癌细胞中还观察到了多个功能相互关
联的基因, 如细胞周期相关基因群和 DNA损伤修复相
关基因群同时显现肿瘤特异性甲基化。实验还提示
基因表达的甲基化失活似乎是癌变的极早期事件，
例如在结肠癌的癌前病变组织中就发现过特定基因
的甲基化，并观察到甲基化程度和整个病程演进过
程中的相关性。
癌细胞中大多数沉默的肿瘤抑制基因启动子区域 CpG
岛的高甲基化, 也许是一个分阶段的渐进过程, 先是某些
特定的 CpG岛从头甲基化, 再由此扩展至更多的 CpG岛, 最
终使基因进入稳定的沉默状态 。 有实验提示, 最初的甲基
化可能起源于在 DNA自发损伤修复中产生的 5甲基脱氧单磷
酸胞嘧啶 (5mdCMP)的错误参入 。 在正常情况下, 5mdCMP由
一种专门的酶脱氨后转变为脱氧单磷酸胸腺嘧啶 (dTMP)。
而在癌细胞中, 相当一部分酶的活性发生了改变, 致使
部分 5mdCMP有可能以二磷酸或三磷酸核苷的形式错误参入
DNA。
有人曾发现一个长期在体外培养的中
国仓鼠卵巢细胞分离株的 5mdCMP脱氧酶的
活性明显下降, 造成两个受试基因位点的
自发表观突变频率明显增高, H3-标记的
5mdCMP参入实验证明这个 CHO的表观突变细
胞株的确参入了甲基脱氧胞苷 。 关于这方
面的研究正在逐步深入 。
近年来的研究还揭示了表观遗传病与肿瘤的相
关。例如 BWS患者的 Wilm’s瘤的发病率比对照群体高
出 1000倍。对肺癌，神经胶质瘤 (glioma),乳腺癌
和结肠癌的分析表明 IGF2等基因的 印迹丢失 (loss
of imprinting,LOI)是肿瘤危险因子，也是最常见
的表观遗传改变。
肿瘤形成中表观遗传修饰的病理作用并没有否
定从 R.Weinberg 1981年在人类膀胱上皮癌中发现
Ras基因突变以来有关肿瘤起源的突变研究，而是
为我们提供了一种不涉及 DNA序列改变的病因研究
途径，也为我们提供了一种新的肿瘤治疗手段，对
于医师和药物研发企业来讲，它比基因治疗具有更
大的吸引力。
分化细胞的稳定性是高等生物的基本特征之
一。然而，在衰老的过程中某些细胞会发生年龄
相关的变化, 例如某个 CpG岛的从头甲基化会关闭
一个基因，丧失与这个基因相关的生理功能；同
样，甲基化的丢失也会激活正常情况下沉默的基
因，造成不恰当的 异位表达 (ectopic expression)。
表观遗传与衰老
Allelic patterns of CpG islands in normal cells and spread of hypermethylation in neoplasia.Each line
represents an allele for a promoter CpG island with each lollipop representing an individual CpG site which
is either unmethylated (white)or methylated (black).The blue box around CpG sites depicts an Alu repeat
sequence located approximately 1 kb upstream from the border of the CpG island,Barriers to spread of
methylation into the island are represented by the vertical lines at the 5, and 3, ends and the black arrows
depict the transcription start sites.The three top lines depict three alleles in normal cells where the CpG island
is protected from methylation but some leakiness leads to allelic heterogeneity for methylation of individual
CpG sites at the lateral edges.Aging is depicted as being a factor 1,2 leading (green arrow)to spread of
methylation into the lateral CpG sites of the islands (individual allelic heterogeneity would again be
present)with slightly diminished transcription (small x at transcription start site).
虽然在一个组织中发生异常甲基化的细胞
只占少数或极少数，但却能使组织或器官呈现
出 表观遗传上的异质性和镶嵌性,这种在衰老
过程中获得的表观遗传镶嵌性正是许多年龄相
关的局灶性疾病的一个重要病因。
动脉粥样硬化和肿瘤一样也是一种局灶性
增殖疾病, 在动脉粥样硬化病人的心肌组织,
动脉粥样斑块和长期在体外培养的血管平滑肌
细胞中, 都曾观察到 雌激素受体 α 基因 (ERα)
的启动子区域出现年龄相关的甲基化。
随着基因组 5mC检测技术的进步，年龄相关的获得
性疾病受到启动子甲基化影响的实验证据越来越多。
◆ 在结肠成纤维细胞中，曾观察到 ERα 和 DNA错配修复蛋白
1(MLH1)等基因启动子甲基化和随后的基因功能下降。
◆ 伴有胰岛素抵抗症状的糖尿病，也是胰岛素受体信号传导
相关的一系列基因，由于表观遗传异常等原因导致功能下
降，造成不同基因启动子甲基化发生在同一组织的不同细
胞中，大大增加了局灶性疾病的异质性，也反映了老年化
组织的镶嵌性。
认识到表观基因组在发育、生长和衰老过程中存在
着一个动态变化的过程，以及体细胞的表观基因组有重
新编程的可能性，不仅有助于我们以新的观点来探索老
年病的病理机制，发展和建立新的诊断方法和药物干预
的新途径，以及更加恰切地评估老年病的发病危险性，
还为通过环境和生活方式的改变来延缓老年病的发生和
减轻老年病的严重程度提供了理论依据。
诚然，将这些概念付诸于实践之前还必
须解决三个问题：
☆ 一是确定表观遗传修饰与特定生理或病理指标的
相关性；
☆ 二是证实将这些指标作为鉴别诊断的潜在可能性
和技术可行性；
☆ 三是通过一定规模的流行病学调查来验证实验室
内的表观遗传病理发现在人群中的真实性。
以 L.Jirtle和 R.A.Waterland用 Agouti小鼠作
的一个表观遗传学经典试验为例。
由于 Agouti基因 (A)编码一种旁分泌的信号分
子能使毛囊黑色素细胞从合成黑色素转为合成黄色
素，因此在鼠毛生长的中间阶段,A基因的一过性
短暂表达在每根鼠毛的毛尖下方形成黄色条带, 使
野生型 Agouti小鼠呈现特征性的棕褐色。
表观遗传的生物学意义
在 A基因 5’ 端上游插入了一个源自逆转座子的
IAP (intracisternal A particle)序列后, 使 A基因
受隐含在 IAP中的启动子调控而持续异位表达，从而造
成携有该突变的小鼠毛色变黄，插入了 IAP的 A基因称
为 AVY等位基因 (Agouti viable yellow gene allele)
。
IAP insertion site in Avy allele,(A) Exon 1A of the murine agouti gene lies within an interrupted 4.1-kb inverted
duplication (shaded block arrows),The duplication gave rise to pseudoexon 1A (PS1A),On the A allele,
PS1A is located 100 kb upstream of exon 2 and 15 kb downstream of the contraoriented exon 1A (6),The Avy mutation was caused by a contraoriented IAP insertion (striped bar; tall arrowhead showsdirection of
IAP transcription),A cryptic promoter within the long terminal repeat proximal to the agouti gene (short
arrowhead labeled Avy) drives ectopic agouti expression in Avy animals,In A and a animals,transcription
starts from a hair cycle-specific promoter in exon 2 (short arrowhead labeled A,a),Small arrows show the
positions of PCR primers used to selectively amplify the exon 1A and PS1A regions.
然而,IAP启动子区域 CpG岛的甲基化又会
使有些细胞中的 AVY基因表达受抑，甚至沉默。
这种表观遗传差异往往发生在胚胎发育早期，
所以，即使在近交系同窝仔鼠中,AVY小鼠也会
出现不同的表型，从以黄色为主到杂以大小不
等的棕褐色斑块。
以基因型为 a/a的母鼠及其孕育的基因型为
AVY/a的仔鼠作实验对象 。 孕鼠分为两组, 试验组孕
鼠除喂以标准饲料外, 从受孕前两周起还增加富含
甲基的叶酸, 乙酰胆碱等补充饲料, 而对照组孕
鼠只喂饲标准饲料。
结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不
同部位出现了大小不等的棕色斑块, 甚至出现了以
棕褐色为主要毛色的小鼠 。 而对照组孕鼠的仔鼠大
多数为黄色 。 分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产
仔鼠的 IAP所含 CpG岛的甲基化平均水平远高于对照
组, 转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基
因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。
（ 1）表观遗传修饰的环境因子敏感性也许可以
用来解释遗传学上完全一样的个体（如双生子）在
不同的环境中可以产生明显的表型差异，也提示表
观遗传修饰的可遗传性在基因和环境的相互作用中
起着重要的作用。
Agouti小鼠实验的深刻启示在于：
（ 2）在小鼠基因组的可转座因子插入位点的异
常甲基化,会引起小鼠在细胞水平上的表观遗传
镶嵌性，扩大了表型变化的范围。
在理论上，表观遗传学的研究已使我们认识到，
与高度稳定的基因组相比，表观基因组处于亚稳定或
准稳定状态，它是可遗传的，且在一定条件下也是可
逆的，在个体发育和生殖细胞形成过程中是经历重新
编程的，即使高度分化的成年哺乳动物体细胞也有重
分化或再分化的潜在可能。
表观遗传研究过程中还形成了表观遗传修饰，表观
遗传突变，表观等位基因 (epialleles),表观基因组，
表观基因组学 (epigenomics),表观遗传病和表观基因
治疗 (epigenetic therapy)等一系列科学概念。这些概
念和思想已经成为哺乳动物克隆技术的进步和干细胞移
植技术用于临床等应用性研究的理论先导。
从技术上讲，表观遗传研究促进了一大批分析和监控
技术的发展，如基因组 DNA的 5mC测序技术、限制性标记基
因组筛选技术 (restriction landmark genomic scanning
,RLGS),甲基化敏感的任意引物 PCR技术 (methylation
sensitive arbitrarily-primed PCR,MS-AP-PCR),差异
甲基化杂交 (differetial methylation hybridization，
DMH),以及专门分析单个 DNA分子上若干个 CpG岛上呈串联
状时完全甲基化的, 甲光, (MethyLight)技术等 。
尤其值得一提的是，甲基化型分析可能发展为理
想的检测或诊断对象有两大优势。
◎ 第二,DNA分子十分稳定,有可能将它和 DNA的 SNP分析等
臵于同一个技术平台。 同时它又比 RNA和蛋白质更便于保存
和运输，并可对已经石蜡、甲醛或乙醇预处理的样本进行分
析，可以开发历史上贮备的大量病理学资源。
◎ 第一，甲基化型既能反映有关基因功能状态及与此相连的
多种疾病相关的丰富信息，又具有简单的, 二元化, 性质，
即令甲基化为, 0”,非甲基化为, 1”,就可以进行数字化
处理，便于开展大规模和自动化监测分析。
作为人类基因组计划的外延,1999
年 12月 包括德国、法国、英国、和美国
多家学术机构和公司的人类表观基因组
合作组织正式启动了旨在解析人类全基
因组中表观遗传信息及其与疾病状态相
关的特定表观遗传修饰的 人类表观基因
组计划 ( Human Epigenome Project，
HEP)。
最后，必须指出，表观遗传研究丝毫没有降低遗
传学或基因组学的重要性，恰恰相反，表观遗传学是
在以孟德尔式遗传为理论基石的经典遗传学和分子遗
传学母体中孕育的、专门研究基因功能实现的一种特
殊机制的遗传学分支学科。
同济大学医学与生命科学部
表 观 遗 传 学
（ epigenetics）
基因表达模式
一个多细胞生物机体的不同类型细胞
概 述
相同的基因型 不同的表型
基因表达模式 在细胞世代之间的可遗传性 并
不依赖细胞内 DNA的序列信息 。
决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表
达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有
组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体
的结构和功能协调是至关重要的。
基 因 表 达 模 式
(g ene expre ssio n pat tern )
基 因 表 达 模 式 的 信 息 标 记
表观遗传修饰
(epigenetic modification)
DNA分子的特定碱基的结构修饰
(如胞嘧啶的甲基化 )
染色质构型重塑 (chromatinremodeling)
(如组蛋白的构型变化 )
表观遗传 (epigenetic inheritance),通过有丝分裂或减数分
裂来传递 非 DNA序列信息的现象 。
表观遗传学 (epigenetics),则是研究不涉及 DNA序列改变的
基因表达和调控的可遗传变化的。或者说是研究从基因
演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学 分支 。
表观遗传
修饰机制
DNA甲基化和染色质重塑
基因组印迹
基因表达重新编程
X染色体失活
表 观 遗 传 修 饰 机 制
DNA甲基化 (DNA methylation)是研究得最
清楚,也是最重要的表观遗传修饰形式，主要
是基因组 DNA上的胞嘧啶第 5位碳原子和甲基间
的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为 5甲基胞嘧啶
(5-methylcytosine,5-mC)。
DNA甲基化
（一） DNA甲基化和染色质重塑
DNMT1
SAM
胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
DNA甲基化
DNA
复制酶
CH3
CH3
CH3
CH3
DNA甲基
转移酶
CH3
CH3
CH3
CH3
DNA复制后甲基化型的维持
DNA甲基化
结构基因 5’ 端附近富含 CpG二联核苷的区域称为 CpG
岛 (CpG islands)。
DNA甲基化
哺乳动物基因组 DNA中 5-mC约占胞嘧啶总量的 2%--7%，
绝大多数 5-mC存在于 CpG二联核苷 (CpG doublets)。
基因调控元件 (如启动子 )所含 CpG岛中的
5-mC会阻碍转录因子复合体与 DNA的结合，所
以 DNA甲基化一般与基因沉默 (gene silence)
相关联； 而非甲基化 (non-methylated)一般
与基因的活化 (gene activation)相关联。而
去甲基化 (demethylation)往往与一个沉默基
因的 重新激活 (reactivation)相关联。
DNA甲基化
Model for methylation-dependent gene silencing,The structural element of chromatin is the
nucleosomal core,which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones,Acetylation
of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional
activity,Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs),which in
turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation,convert-ing the chromatin into a
closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.
组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所
修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这
类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为 染色
质构型重塑 。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一
般与活化的染色质构型 常染色质 (euchromatin)和
有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与
浓缩的 异染色质 (hetero-chromatin)和表达受抑的
基因相关联。
染色质重塑
Epigenetics is an advanced biological system that selectively utilizes genomic information and is involved in
various fundamental phenomena,Specifically,it puts emphasis on the regulation of gene expression,through
DNA methylation,chromatin,and post-translational modification of proteins such as histones,Arrows
indicate possible functional interactions between them,DNA hypermethylation,histone hypoacetylation and
inactive chromatin repress transcription,In contrast,a transcriptionally active condition may encourage DNA
hypomethylation,histone hyperacetylation and active chromatin,Also,a particular chromatin structure may
be required for establishing DNA methylation,
研究还表明，组蛋白甲基化可以与基因
抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往
往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位臵。
例如，上述的 H3 Lys9甲基化最终导致了
基因的沉默；然而，位于 H3 Lys4的甲基化则
与基因的活化相关联。
红色链孢霉, 编码 H3 Lys9甲基转移酶的基因是 DNA甲基化所
必需的, 表明 DNA甲基化修饰过程接受来自染色质的指令 。
裂 殖 酵 母, 编码 RNAi相关蛋白质的基因一旦被剔除就会导
致 H3 Lys9甲基化的丢失和位于染色体的异染色质区的着丝
粒功能受损, 表明组蛋白的修饰又会受到 RNA干扰的指令 。
真核细胞中存在着一个由 RNA干扰, 组蛋白结构修饰和
DNA甲基化系统组成的一个表观遗传修饰网络, 能动地调控
着具有组织和细胞特异性的基因表达模式 。 机体的表观遗
传模式的变化在整个发育过程中是高度有序的, 也是严格
受控的 。
染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而
是在 DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态
的功能界面。
（二）基因组印迹
(Prader-Willi Syndrome,PWS)
1956年 A.Prader 和 H.Willi 父 源染色体 15q11-13区段缺失Prader-Willi综合征
Angelman综合征 1968年 H.Angelman 母 源染色体 15q11-13区段缺失
(Angelman Syndrome,AS)
PWS和 AS这一对综合征表明父亲和母
亲的基因组在个体发育中有着不同的影
响，这种现象被称为基因组印迹 (genomic
imprinting)。
近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本
等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性 (monoallelic activity)。
在父源和母源染色体上，这些调控元件的 CpG
岛呈现甲基化型的明显差异。
在 PWS和 AS患者中发现，微小染色体缺失集中
的区域有成簇排列的富含 CpG岛的基因表达调控元
件，称为 印迹中心 (imprinting centers,ICs)。
SNRPN的 23个
CpG二联核苷 父源 非甲基化
完全甲基化母源例如
差异甲基化 (differential methylation),父源和母源
染色体上的 ICs的甲基化呈现出分化状态。
Beckwith-Wiedemann综合征 (BWS)是一种过度生长综合
征,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤
易患倾向。
在长约 1Mb的该区段中至少有 12个成簇排
列的印迹基因，其中有些呈父源等位基因表达
模式，另一些呈母源等位基因表达模式，这些
基因分属两个 印迹域 (imprinted domain),它
们的印迹状态分别受控于两个 印迹调控区
(impriting control regions,ICR)。
它起源于染色体 11p15.5区段的多种能造
成该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗
传学调节机制异常。
启动子 （ P）, 差异甲基化区 （ DMR1）, 锌指蛋白 （ CTCF） 和
增强子 （ E） 对 Igf2和 H19的交互易换式印迹调节模式示意图
（ 为非甲基化 CpG岛, 为甲基化 CpG岛 ） 。
母源
P DMR1 E
Igf2 CTCF H19
父源 E
第一印迹调控区
Comparison of the imprinted IGF2/H19 domain on chromosome 11p15.5 with the DLK1/GTL2 domain
on chromosome 14q32.
Physical distances are indicated at the top of the diagram,CTCF binding sites are indicated as shaded
vertical rectangles,and black circles indicate the positions of enhancer elements,Differentially
methylated regions (DMR) are indicated,G1,G2,and G3 are shown as black bars and correspond to the
three areas analyzed for differential methylation,The position of the telomere (t) is shown relative to
each imprinted domain,The transcription units for each gene are shown as boxes,and the direction of
transcription for maternally and paternally expressed genes is denoted by arrows above and below the
boxes.
迄今已发现的印迹基因已有 50多个，分布
于基因组的 12个区域，大多成簇排列，其中许
多是疾病基因。虽多数印迹基因的作用机制尚
不清楚，然而几乎都与 DNA甲基化型的异常相
关联。值得注意的是涉及到不同亲本来源的印
迹基因的 DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过
程中建立的。
印迹基因的 DNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立
原始性细胞
（ 2n）
配子
（ n）
合子
（ 2n）
基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰,
这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心
来协调, 印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在
发育全过程中的维持和传递, 并导致以亲本来源特异
性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个, 而使另
一个沉默 。 研究表明, 在哺乳动物中相当数量的印迹
基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的 。
发育是一个高度有序的生物学过程, 是从一个全
能的受精卵开始到建成一个由 200多种具有组织和细
胞特异性的, 结构和功能各异的细胞组成的整体的过
程 。 组成机体的各个组分互相协同能执行精细, 复杂
且相互协调的功能, 如物质和能量代谢, 对病原生物
的抵御和免疫能力的获得, 高级神经系统功能网络的
建立, 两性生殖细胞的发生, 成熟和受精后的新生命
孕育, 以及与复杂多变环境之间的相互作用等 。
（三）基因表达的重新编程
对于一个生物机体来讲, 所有结构和功能各不
相同的细胞虽具有完全一样的基因组, 却有着很不
一样的基因表达模式 。 与组织和细胞特异性的基因
表达模式的建立和维持相关的细胞信息, 必需是可
以通过 细胞分裂而遗传的, 同时也应该
具备被删除和重建的潜在可能性 。
,多莉, 克隆绵羊的诞生雄辩地证明：一个来自成年
的哺乳动物的高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个
体的能力，也就是说细胞的分化并没有造成不可逆的遗传
物质修饰。
已完全分化的细胞, 其基因组在特定条件下经
历 表观遗传修饰重建 而为胚胎发育中的基因表达 重
新编程 (reprogramming)并赋予发育全能性, 为胚胎
发育和分化发出正确的指令 。 胚胎发育中表观基因
组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性
疾病。
原始性细胞 成熟性细胞 胚胎组织
受
精
卵
表观基
因组
个体发育过程中表观基因组的重编程
早期原始生殖细胞在沿着生殖系统管腔移行时, 原属体细胞型的表观遗传修饰 (包括基因组印迹 )会
被删除 。 在生殖细胞发生与成熟过程中表观遗传标记重新建立 (蓝线表示精子分化, 红线表示卵细胞
分化 )。 受精后会进行除印迹基因 (由黑色虚线表示 )以外的表观遗传修饰的删除与重建, 重建后的表
观基因组在组织特异性定型后被稳定地维持 。
表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感
◆ 在动物实验中, 改变胚胎培养液但会引起异常甲基化和印
迹基因 Igf2和 H19的表达失调, 甚至造成印迹性疾病 。
◆ 辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预了生殖, 而这
个时期正是表观遗传编程获得和维持的关键时期。 K.H.Orstavik
等曾报道经 卵细胞胞质精子注射 辅助后出生的儿童中,PWS/AS
和 BWS发生率增高现象，并在患儿中检测到包括 H19,Igf2在内
的多个印迹基因表达异常 。 这些结果提示有必要对经辅助生育
技术孕育的孩子作表观遗传学监测。
1992年 Q.Jaenish运用基因工程小鼠较为全
面地探讨了重新编程问题 。 他的实验表明, 核移
植克隆成功率极低的原因是 由于基因组表观遗传
状态重新编程的失败 。 他还认为, 所有的克隆 (
动物 )都是不正常的,存活下来或活得稍长的克隆
动物只是比早死的少一些异常而已 。 然而克隆技
术
却是研究表现遗传学的最公允的实验, 。
1961年 M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体
细胞的两条 X染色体中会有一条发生随机失活的假
说, 并认为这是一种基因剂量补偿的机制 。 以后的
研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中, 有一条
X染色体是完全失活并呈异染色质状态, 而在另一
个细胞谱系中同一条 X染色体又可以是活化的且
呈常染色质状态。
（四） X染色体失活
1996年 G.D.Penny等发现 X染色体的 Xq13.3
区段有一个 X失活中心 (X-inaction center，
Xic),X-失活从 Xic区段开始启动，然后扩展
到整条染色体。
Xist,X染色体失活特异性转录因子，是 X染色体上启动转录最早的基因。
Xce,在基因组中的组成与 X-染色体随机失活中的选择有关，当 Xce处于纯合状态
时，体细胞中的 X-失活是完全随机的，而杂合态时，失活不是完全随机的。
Tsix,位于 Xist下游的瞬时调控元件,与 CTCF可能协同起着 Xist的外源开关功能。
DXPas34,富含 CpG，包括一个 15Kb的微卫星重复序列，对 X-失活有一定调控作用。
Xic长约 1Mb,包括 4个已知基因,Xist,Xce,Tsix和 DXPas34。
X
染
色
体
失
活
过
程
模
式
图
失活 X染色
体特点
组蛋白 H4不被乙酰化
CpG岛的高度甲基化
表观遗传修饰异常引起的疾病主要可分为两大类：
★ 一类是在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观
遗传修饰的异常，有人称之为 表观突变 (epimutation)；
表观遗传与疾病
★ 另一类是与表观遗传修饰的分子机器结构与功能相关
的蛋白质编码基因有关的, 如 DNA甲基转移酶基因或差
异甲基化 CpG岛结合蛋白 CTCF基因的突变或表观突变。
Rett综合征是 一种 X连锁遗传性进行性神经系统疾
病，近年来的研究表明 Rett综合征的疾病基因是 X染色
体上编码 McCP2蛋白质的基因。
Rett综合征
McCP2 ( methyl-binding proteins,MBPs),是一
种 甲基结合蛋白,能专一性地识别甲基化的 CpG岛并与
之结合,其功能是作为分子榫头将染色质 修饰 复合
物 (chromatin-modifying complex,CMCs)和 DNA甲基化区域
连接在一起以阻遏基因的转录。
ICF综合征 是一种罕见的常染色体隐性遗
传病，主要病症是不同程度的免疫缺陷，并伴
以面部畸形和智力低下。患者至少有两种同型
免疫球蛋白的减少或缺失，并造成细胞免疫缺
陷。
ICF综合征
在分子水平上, 患者有典型随体序列 Ⅱ 和 Ⅲ 的低甲基
化 。 多个研究小组独立发现该病是能催化 DNA从头甲基化的
DNMT3B编码基因的突变所致 。 患者至少有两种同型免疫球
蛋白的减少或缺失, 并造成细胞免疫缺陷 。 此外, 淋巴细
胞分裂中 1号, 9号和 16号等多条染色体的环着丝粒区域的
不稳定性也明显增高 。 这些区域含一种卫星 DNA序列, 通常
是被甲基化的, 但在 ICF患者中几乎完全是非甲基化的 。 这
些序列被认为与着丝粒的功能和动基体装配有关 。
还有人发现 ICF患者的失活 X-染色体的 CpG岛和两个重
复序列家族 D4Z4和 NBL2的 DNA失甲基化 。 这些变化与基因组
中 5mC水平降低和某些染色体着丝粒周围区域重复序列的低
甲基化是相互吻合的 。 基因芯片的表达分析还显示, 患者淋
巴细胞中部分与免疫功能调节相关的基因表达水平下调, 但
未观察到这些基因启动子区甲基化型的变化, 提示 ICF综合
征中 DNMT3B基因的突变可能通过降低转甲基活性而减少了对
基因转录的阻遏作用, 从而间接影响了淋巴细胞部分基因的
表达模式 。
ATR-X
X连锁 α -地中海贫血 /智力发育迟滞
综合征 是一种 X-连锁疾病,致病基因突变
会引起特征性的发育异常，如严重的智力
低下,面部变形,α -地中海贫血、泌尿
生殖道畸形，甚至出现性反转表型。
致病基因 ATR-X编码一个含有植物的发育同源结构域 (PHD)的转录调节
因子,它通过修饰染色质的局部结构来调节转录，该蛋白质的 C末端结构域还
具有解旋酶 SNF-2家族成员的标志性结构。在细胞分裂间期和中期,ATR-X蛋
白质定位在着丝粒附近的异染色质区。
在 ATR-X患者中发现一些包括编码核糖体 RNA
的 rDNA等在内的高度重复序列的甲基化型发生了
改变。这些重复序列区域甲基化的严重减少, 加
上染色质重塑解旋酶 SNF-2结构域的存在,提示
ATR-X蛋白可能起着将 DNA甲基化和染色质重塑这
两类表观遗传修饰连接在一起的作用 。
是一种以智力低下为主要
症状的遗传性智力障碍综
合征 。
脆性 X综合征
(fragile-X syndrome)
致病基因 FMR1(fragile x mental retardation - I)
位于 Xq27.3,其最常见的突变是 5’ 端非翻译
区中 CCG三核苷酸重复序列的扩展。分析表明
(CCG)n重复序列扩展会引起 CCG中 CpG二联核苷
的甲基化，从而使 FMRI基因沉默。
Human FMR gene is located at Xq27.3
and contains 17 exons encoding FMRP,
This loss of function disease is due to
expansion of CGG repeat which results
in absence or deficit of FMRP by
methylation of full mutation,The CGG
expansion occurs in the first FMRP
exon which would be located within
the 5'UTR (untranslated region) of FMRP
mRNA.
D.Wohrle等的鼠源胚胎肿瘤细胞的 FMR-1转基因
实验也为 CCG 重复序列甲基化在脆性 X综合症发生中
的分子病理学作用提供了新的线索。当将携有 CCG重
复延伸并甲基化的脆性 X染色体转入肿瘤细胞后，会
导致去甲基化和 FMR-1基因转录的重新激活，并增加
(CCG)n重复序列的遗传不稳定性。
为了证实肿瘤细胞中确实发生了去甲基化反应, 又
用能诱导去甲基化反应的 5-氮脱氧胞苷处理脆性 X细胞,
结果使 FMR-1基因和乙酰化组蛋白 H3和 H4重新联结, 转
录也重新被激活 。 这表明脆性 X综合征患者的 FMR-1基因
沉默最初起因于延伸重复序列的甲基化, 这也是研究得
最清楚的一种因特定 DNA序列表现遗传修饰异常而导致的
一种疾病表型 。
表观修饰遗传对于控制基因转录和染色体稳定是
十分重要的 。 表观遗传信号甚至可以通过具有阻遏特
定基因转录的双链 RNA分子在细胞间的传递来影响别
的细胞的基因表达 。 虽然对于表观遗传修饰在疾病发
生中作用的认识还很不全面, 但 Holliday等人已经提
出了表观遗传病的概念, 其中包括多种复杂的遗传性
综合征, 印迹综合征, 免疫性疾病和中枢神经系统发
育紊乱等, 还包括衰老和癌症 。
早在 1979年 R.Holliday就曾经提出 DNA甲基化可
能在癌变过程中起着重要的作用。
1983年 A,P.Feinberg和 B.Vogelstein就发现癌
细胞中 DNA甲基化的总体水平低于正常细胞，肿瘤细
胞的低 甲 基化频繁发生于重复序列和在生物进化过
程中引入的外来 寄生性 DNA（ parasitic DNA)。
表观遗传与肿瘤
除了 DNA甲基化的总体水平降低之外，癌细胞往
往出现局部序列的高甲基化，高甲基化通常集中在启
动子等基因表达调控元件附近的 GpG岛。
DNA甲基化的异常可能是癌细胞中某些抑制恶性
生长的基因沉默的原因 。
从 1986年 J.B.Baylin等最初发现降钙素
（ calcitonin)基因在癌细胞中呈现出正常细
胞中不存在的异常甲基化起,迄今已发现 60
多个基因在癌细胞中显现异常甲基化。
在人类的癌细胞中还观察到了多个功能相互关
联的基因, 如细胞周期相关基因群和 DNA损伤修复相
关基因群同时显现肿瘤特异性甲基化。实验还提示
基因表达的甲基化失活似乎是癌变的极早期事件，
例如在结肠癌的癌前病变组织中就发现过特定基因
的甲基化，并观察到甲基化程度和整个病程演进过
程中的相关性。
癌细胞中大多数沉默的肿瘤抑制基因启动子区域 CpG
岛的高甲基化, 也许是一个分阶段的渐进过程, 先是某些
特定的 CpG岛从头甲基化, 再由此扩展至更多的 CpG岛, 最
终使基因进入稳定的沉默状态 。 有实验提示, 最初的甲基
化可能起源于在 DNA自发损伤修复中产生的 5甲基脱氧单磷
酸胞嘧啶 (5mdCMP)的错误参入 。 在正常情况下, 5mdCMP由
一种专门的酶脱氨后转变为脱氧单磷酸胸腺嘧啶 (dTMP)。
而在癌细胞中, 相当一部分酶的活性发生了改变, 致使
部分 5mdCMP有可能以二磷酸或三磷酸核苷的形式错误参入
DNA。
有人曾发现一个长期在体外培养的中
国仓鼠卵巢细胞分离株的 5mdCMP脱氧酶的
活性明显下降, 造成两个受试基因位点的
自发表观突变频率明显增高, H3-标记的
5mdCMP参入实验证明这个 CHO的表观突变细
胞株的确参入了甲基脱氧胞苷 。 关于这方
面的研究正在逐步深入 。
近年来的研究还揭示了表观遗传病与肿瘤的相
关。例如 BWS患者的 Wilm’s瘤的发病率比对照群体高
出 1000倍。对肺癌，神经胶质瘤 (glioma),乳腺癌
和结肠癌的分析表明 IGF2等基因的 印迹丢失 (loss
of imprinting,LOI)是肿瘤危险因子，也是最常见
的表观遗传改变。
肿瘤形成中表观遗传修饰的病理作用并没有否
定从 R.Weinberg 1981年在人类膀胱上皮癌中发现
Ras基因突变以来有关肿瘤起源的突变研究，而是
为我们提供了一种不涉及 DNA序列改变的病因研究
途径，也为我们提供了一种新的肿瘤治疗手段，对
于医师和药物研发企业来讲，它比基因治疗具有更
大的吸引力。
分化细胞的稳定性是高等生物的基本特征之
一。然而，在衰老的过程中某些细胞会发生年龄
相关的变化, 例如某个 CpG岛的从头甲基化会关闭
一个基因，丧失与这个基因相关的生理功能；同
样，甲基化的丢失也会激活正常情况下沉默的基
因，造成不恰当的 异位表达 (ectopic expression)。
表观遗传与衰老
Allelic patterns of CpG islands in normal cells and spread of hypermethylation in neoplasia.Each line
represents an allele for a promoter CpG island with each lollipop representing an individual CpG site which
is either unmethylated (white)or methylated (black).The blue box around CpG sites depicts an Alu repeat
sequence located approximately 1 kb upstream from the border of the CpG island,Barriers to spread of
methylation into the island are represented by the vertical lines at the 5, and 3, ends and the black arrows
depict the transcription start sites.The three top lines depict three alleles in normal cells where the CpG island
is protected from methylation but some leakiness leads to allelic heterogeneity for methylation of individual
CpG sites at the lateral edges.Aging is depicted as being a factor 1,2 leading (green arrow)to spread of
methylation into the lateral CpG sites of the islands (individual allelic heterogeneity would again be
present)with slightly diminished transcription (small x at transcription start site).
虽然在一个组织中发生异常甲基化的细胞
只占少数或极少数，但却能使组织或器官呈现
出 表观遗传上的异质性和镶嵌性,这种在衰老
过程中获得的表观遗传镶嵌性正是许多年龄相
关的局灶性疾病的一个重要病因。
动脉粥样硬化和肿瘤一样也是一种局灶性
增殖疾病, 在动脉粥样硬化病人的心肌组织,
动脉粥样斑块和长期在体外培养的血管平滑肌
细胞中, 都曾观察到 雌激素受体 α 基因 (ERα)
的启动子区域出现年龄相关的甲基化。
随着基因组 5mC检测技术的进步，年龄相关的获得
性疾病受到启动子甲基化影响的实验证据越来越多。
◆ 在结肠成纤维细胞中，曾观察到 ERα 和 DNA错配修复蛋白
1(MLH1)等基因启动子甲基化和随后的基因功能下降。
◆ 伴有胰岛素抵抗症状的糖尿病，也是胰岛素受体信号传导
相关的一系列基因，由于表观遗传异常等原因导致功能下
降，造成不同基因启动子甲基化发生在同一组织的不同细
胞中，大大增加了局灶性疾病的异质性，也反映了老年化
组织的镶嵌性。
认识到表观基因组在发育、生长和衰老过程中存在
着一个动态变化的过程，以及体细胞的表观基因组有重
新编程的可能性，不仅有助于我们以新的观点来探索老
年病的病理机制，发展和建立新的诊断方法和药物干预
的新途径，以及更加恰切地评估老年病的发病危险性，
还为通过环境和生活方式的改变来延缓老年病的发生和
减轻老年病的严重程度提供了理论依据。
诚然，将这些概念付诸于实践之前还必
须解决三个问题：
☆ 一是确定表观遗传修饰与特定生理或病理指标的
相关性；
☆ 二是证实将这些指标作为鉴别诊断的潜在可能性
和技术可行性；
☆ 三是通过一定规模的流行病学调查来验证实验室
内的表观遗传病理发现在人群中的真实性。
以 L.Jirtle和 R.A.Waterland用 Agouti小鼠作
的一个表观遗传学经典试验为例。
由于 Agouti基因 (A)编码一种旁分泌的信号分
子能使毛囊黑色素细胞从合成黑色素转为合成黄色
素，因此在鼠毛生长的中间阶段,A基因的一过性
短暂表达在每根鼠毛的毛尖下方形成黄色条带, 使
野生型 Agouti小鼠呈现特征性的棕褐色。
表观遗传的生物学意义
在 A基因 5’ 端上游插入了一个源自逆转座子的
IAP (intracisternal A particle)序列后, 使 A基因
受隐含在 IAP中的启动子调控而持续异位表达，从而造
成携有该突变的小鼠毛色变黄，插入了 IAP的 A基因称
为 AVY等位基因 (Agouti viable yellow gene allele)
。
IAP insertion site in Avy allele,(A) Exon 1A of the murine agouti gene lies within an interrupted 4.1-kb inverted
duplication (shaded block arrows),The duplication gave rise to pseudoexon 1A (PS1A),On the A allele,
PS1A is located 100 kb upstream of exon 2 and 15 kb downstream of the contraoriented exon 1A (6),The Avy mutation was caused by a contraoriented IAP insertion (striped bar; tall arrowhead showsdirection of
IAP transcription),A cryptic promoter within the long terminal repeat proximal to the agouti gene (short
arrowhead labeled Avy) drives ectopic agouti expression in Avy animals,In A and a animals,transcription
starts from a hair cycle-specific promoter in exon 2 (short arrowhead labeled A,a),Small arrows show the
positions of PCR primers used to selectively amplify the exon 1A and PS1A regions.
然而,IAP启动子区域 CpG岛的甲基化又会
使有些细胞中的 AVY基因表达受抑，甚至沉默。
这种表观遗传差异往往发生在胚胎发育早期，
所以，即使在近交系同窝仔鼠中,AVY小鼠也会
出现不同的表型，从以黄色为主到杂以大小不
等的棕褐色斑块。
以基因型为 a/a的母鼠及其孕育的基因型为
AVY/a的仔鼠作实验对象 。 孕鼠分为两组, 试验组孕
鼠除喂以标准饲料外, 从受孕前两周起还增加富含
甲基的叶酸, 乙酰胆碱等补充饲料, 而对照组孕
鼠只喂饲标准饲料。
结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不
同部位出现了大小不等的棕色斑块, 甚至出现了以
棕褐色为主要毛色的小鼠 。 而对照组孕鼠的仔鼠大
多数为黄色 。 分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产
仔鼠的 IAP所含 CpG岛的甲基化平均水平远高于对照
组, 转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基
因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。
（ 1）表观遗传修饰的环境因子敏感性也许可以
用来解释遗传学上完全一样的个体（如双生子）在
不同的环境中可以产生明显的表型差异，也提示表
观遗传修饰的可遗传性在基因和环境的相互作用中
起着重要的作用。
Agouti小鼠实验的深刻启示在于：
（ 2）在小鼠基因组的可转座因子插入位点的异
常甲基化,会引起小鼠在细胞水平上的表观遗传
镶嵌性，扩大了表型变化的范围。
在理论上，表观遗传学的研究已使我们认识到，
与高度稳定的基因组相比，表观基因组处于亚稳定或
准稳定状态，它是可遗传的，且在一定条件下也是可
逆的，在个体发育和生殖细胞形成过程中是经历重新
编程的，即使高度分化的成年哺乳动物体细胞也有重
分化或再分化的潜在可能。
表观遗传研究过程中还形成了表观遗传修饰，表观
遗传突变，表观等位基因 (epialleles),表观基因组，
表观基因组学 (epigenomics),表观遗传病和表观基因
治疗 (epigenetic therapy)等一系列科学概念。这些概
念和思想已经成为哺乳动物克隆技术的进步和干细胞移
植技术用于临床等应用性研究的理论先导。
从技术上讲，表观遗传研究促进了一大批分析和监控
技术的发展，如基因组 DNA的 5mC测序技术、限制性标记基
因组筛选技术 (restriction landmark genomic scanning
,RLGS),甲基化敏感的任意引物 PCR技术 (methylation
sensitive arbitrarily-primed PCR,MS-AP-PCR),差异
甲基化杂交 (differetial methylation hybridization，
DMH),以及专门分析单个 DNA分子上若干个 CpG岛上呈串联
状时完全甲基化的, 甲光, (MethyLight)技术等 。
尤其值得一提的是，甲基化型分析可能发展为理
想的检测或诊断对象有两大优势。
◎ 第二,DNA分子十分稳定,有可能将它和 DNA的 SNP分析等
臵于同一个技术平台。 同时它又比 RNA和蛋白质更便于保存
和运输，并可对已经石蜡、甲醛或乙醇预处理的样本进行分
析，可以开发历史上贮备的大量病理学资源。
◎ 第一，甲基化型既能反映有关基因功能状态及与此相连的
多种疾病相关的丰富信息，又具有简单的, 二元化, 性质，
即令甲基化为, 0”,非甲基化为, 1”,就可以进行数字化
处理，便于开展大规模和自动化监测分析。
作为人类基因组计划的外延,1999
年 12月 包括德国、法国、英国、和美国
多家学术机构和公司的人类表观基因组
合作组织正式启动了旨在解析人类全基
因组中表观遗传信息及其与疾病状态相
关的特定表观遗传修饰的 人类表观基因
组计划 ( Human Epigenome Project，
HEP)。
最后，必须指出，表观遗传研究丝毫没有降低遗
传学或基因组学的重要性，恰恰相反，表观遗传学是
在以孟德尔式遗传为理论基石的经典遗传学和分子遗
传学母体中孕育的、专门研究基因功能实现的一种特
殊机制的遗传学分支学科。
