万物生而有灵，生命的复杂与奥妙常常超乎我们的想象。生物中一些看似微小的异常与变化，或许就能被人们延展出一门枝叶繁茂的前沿学科。下面这几个生活中的现象，也许会引起你的兴趣：
三花猫携带黄色和黑色的毛色基因。根据中心法则，雌猫的两条X染色体分别携带黄色和黑色基因时，毛发应该呈现黑色和黄色的混合色，即棕色。为什么最终三花猫是黄黑相间，而不是棕色？
在蜂群中，工蜂和蜂王都是由雌性幼蜂发育而来。但蜂王只负责产卵繁衍后代，工蜂则只负责劳作。蜂王寿命有几年，而工蜂只能存活几个月。究竟是什么“神秘力量”，决定了它们截然不同的发育结果？
二战后期，荷兰人经历了一段“饥饿的冬天”（TheHungerWinter）。饥荒似乎被记录在了遗传物质当中。大饥荒时期怀孕的人生下的子女，往往体型更小。难道饥荒对人们的影响会遗传吗？
这些问题都可以用一个有些冷门的学科——表观遗传学的知识来解释，我们会在文中逐一展开分析。
提到“遗传”“基因”，也许多数人的第一反应，就是双螺旋结构的DNA长链，上面的碱基排列组合，承载着我们生命的“密码”。但是，在DNA序列之上，还有另外一套机制在发挥作用。它就像一个信息的筛选器，控制着DNA序列中的哪些部分可以得到表达，哪些部分则会变成沉默的“无效信息”。
在生物医药领域，表观遗传学研究有重要意义。它可以帮助我们攻破肿瘤治疗的难题，比如延缓肿瘤耐药性的形成，提升肿瘤对于药物的敏感性。它还有助于我们研究红斑狼疮、阿尔兹海默症、帕金森症等由表观修饰异常引发的复杂病种，理解它们的致病机制，寻找新的治疗药物。
你将在本文读到：
为什么DNA序列不能完全决定生物的表型特征？
“同种不同命”，为什么饮食也会影响基因的表达调控？
表观遗传学如何帮助我们攻克恶性肿瘤、阿尔兹海默等复杂疾病？
表观遗传学领域，会出现下一个“华大基因”吗？
表观遗传学在学术和产业领域的发展前景如何？
在表观遗传学领域，有哪些创业和投资机会？
希望能带来新的思考角度。如果你是表观遗传学领域的创业者或者从业者，欢迎与本文作者，峰瑞资本副总裁谢达联系（xie.da@freesvc.com）
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提到“表观遗传学”，许多人会感到十分陌生。但下面这几个生活中的现象，也许会引起你的兴趣。
第一个现象是三花猫。三花猫都是雌猫，身上有白、黄、黑三种颜色。有意思的是，造成黑色和黄色毛发的基因，是雌性猫X染色体上均为显性的等位基因。根据中心法则，雌猫的两条X染色体分别携带黄色和黑色基因时，毛发应该呈现黑色和黄色的混合色，即棕色。但我们看到的三花猫却是黄黑相间，也就是说毛发选择性地表达一种颜色。三花猫的特殊毛色是怎么形成的？
第二个现象是蜜蜂。在一个蜂群中，工蜂和蜂王都是雌性，但它们差异非常大。蜂王只负责产卵繁衍后代，而工蜂则丧失生育能力，负责采集食物、修筑蜂巢、哺育幼虫等蜂群内外的劳作。蜂王寿命有几年，而工蜂只能存活几个月。决定雌性蜂幼虫发育为工蜂还是蜂王的主要因素在于饮食：雌幼虫连续食用蜂王浆，就会发育成为蜂王；而如果前三天被喂食蜂王浆，之后被喂食蜂蜜和花粉，则会发育成为工蜂。为什么蜂王浆可以决定幼蜂的发育“命运”呢？
第三个现象是二战后期的“荷兰大饥荒”。二战后期的荷兰，流亡政府因为预判德国将要崩溃，组织人民举行罢工。作为报复，纳粹切断了1944年冬天至1945年4月份的荷兰食物供应，造成两万人死亡。这一时期被荷兰人称为“饥饿的冬天”（TheHungerWinter）。如今，“饥饿的冬天”已经过去近80年，但不幸的是，饥荒似乎被记录在了遗传物质当中，因为大饥荒时期怀孕的人生下的子女，往往体型更小。难道饥荒对人们的影响会遗传吗？
上面几个例子，都可以用表观遗传学的知识来解释。
表观遗传学是指基因组之上、之外的调控机制，英文名称为Epigenetics，其中epi-有“之上，之外”的意思。顾名思义，表观遗传学既研究“表观”的调控规律，又研究这些调控规律如何遗传的。
例如，通过干预表观遗传靶点，可以增强肿瘤对于治疗药物的敏感性，克服肿瘤耐药性甚至肿瘤的转移，展现出药物联用的优势。另外，在基因治疗药物中，表观遗传元件的使用可以增强药物的精准性，使药物发挥功能向人体生理靠拢。未来，表观遗传研究在精准医学方面的价值和潜力将不断得到挖掘。
第三，表观遗传学发展仍处于早期，潜力可观。过去几十年，华人科学家在表观遗传领域做出了大量贡献，如哺乳动物DNA甲基化的建立和去甲基化，多种组蛋白去甲基化酶的发现，RNA的表观遗传学等等。未来，这一领域仍将不断取得进展，一系列新的表观遗传机制有待发现，成像和测序工具将向高效、低成本化迭代，临床端药物的种类和形式也将不断创新。
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表观遗传学——
出牌顺序不同，
结果不同
相较于表观遗传，“遗传”和“中心法则”可能是人们更为熟知的概念。中心法则指的是遗传信息从DNA流动到RNA再流动到蛋白质。中心法则的存在，使得人们往往认为，基因组DNA序列决定着生物体所有表型。同时，由于DNA序列的稳定性，这些表型特征可以稳定、多代地遗传。应用基因编辑等技术，也有可能治疗诸如L-镰刀型红细胞贫血症、囊性纤维化这类因为单基因突变导致的遗传病。
而事实上，一些生物的性质，看似不遵循传统中心法则。在DNA序列没有发生改变、启动基因表达的生物学元件没有缺失的情况下，DNA表达的调控发生了改变，造成个体和个体细胞有着不同的表型。而且，某些差异还可以遗传至下一代或子细胞。好比玩扑克牌，打牌选手和牌没有变，如果出牌顺序变化了，就会带来不同的结果。
表观遗传地势图形象地解释了“表观”的概念。图中把基因的表达类比为一个铁球从山坡滚下的过程，不同的调控因素对应不同的山坡，这些山坡的走势影响了小球落到哪个山谷，也就是如何表达。
在微观层面，表观遗传学研究的中心是染色质，更确切一点，是不依赖DNA序列改变的染色质结构变化。
染色质包含着个体的遗传信息，由DNA和组蛋白形成。染色质的基本结构单元是核小体，是DNA缠绕两圈组蛋白形成的圆盘状结构。人的DNA展开长达2m，而细胞核直径仅仅6微米，相当于把40km长线放入一个网球。很显然，从核小体到染色质，中间经历了非常多而有序的折叠步骤。
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三花猫、蜜蜂、“荷兰大饥荒”……
解密表观遗传的微观调控机制
在微观尺度，主要有三个因素来调控染色质结构，从而改变基因表达。它们分别是，DNA甲基化修饰、组蛋白修饰以及非编码RNA。这是表观遗传影响个体表型最为重要的三种机制。三者共同决定染色质的结构，进而影响基因的表达。
▎DNA甲基化修饰
DNA甲基化（DNAMethylation）修饰，是目前被人们研究得较为充分的表观遗传机制。
DNA甲基化是指，在DNA甲基转移酶作用下，DNA上的特定C碱基（胞嘧啶）的5’位置连接上-CH3（甲基）基团的过程，在哺乳动物体内主要出现在胞嘧啶-鸟嘌呤（CpG）二核苷酸位置上。甲基化通过一个简单的化学标记，提供特定的分子形态信息，和空间上的位置障碍，通常能够阻止转录因子结合，抑制基因的表达。
在蜜蜂发育的例子中，饮食不同造成的DNA甲基化修饰差异，可能是造成雌性幼虫发育结果不同的重要因素。实验观测到，工蜂与蜂王有超过550个基因呈现不同的甲基化状态。蜂王浆能降低雌性幼虫的甲基化水平，促进幼虫发育出完整的卵巢组织，最终成为蜂王。相比之下，幼虫在后期食用蜂蜜，甲基化水平维持在较高程度，最终发育成为工蜂。有趣的是，当人为操作，降低雌性幼虫DNA甲基化水平，也会促进蜂王样的表型。
造成这种表达差异的因素，在于父源和母源印记基因调控区域的甲基化状态不同，改变了基因表达。因而，父母只有一方会影响子代的性状。由此，人们可以通过印记基因在染色体的表达情况，推断染色体来自于父方或母方。印记基因目前也被应用于血缘分析和刑侦分析中。
胰岛素样生长因子Igf2是目前被研究得最为彻底的印记基因之一，为我们在上文提及的荷兰大饥荒灾民的子代发育不良问题，提供了一个解释。
Igf2是一个父系表达的印记基因。如下图所示，在正常的人体生理状况下，母本Igf2的印记基因调控区（ICR）没有被甲基化，调控蛋白（CTCF）能够结合ICR区域，从而阻挡下游增强子接近Igf2基因，Igf2基因无法表达。相反，父本的调控区被甲基化，甲基的空间阻碍使得调控蛋白无法结合ICR区域。因而，下游增强子可以接近Igf2基因，并启动促进生长发育必要的生长因子的表达。简单来说，Igf2的父本印记基因表达，而母本印记基因不表达。
2008年，学者研究对比了大饥荒阶段生育的子女，与他们兄弟姐妹的Igf2调控区甲基化水平。结果显示，大饥荒阶段生育的子女的甲基化水平，显著低于未经历大饥荒的兄弟姐妹。
子女印记基因调控区甲基化不足，造成生长因子表达不足，表现为身材矮小（减少能量摄入）、容易发胖（储存更多能量），似乎是在“适应”父辈面临的饥饿环境。这也反映出表观遗传的一个重要功能，那就是增加子代的适应能力，虽然这种能力可能是相邻两代间的。
▎组蛋白修饰
组蛋白修饰（histonemodificaiton），指的是组蛋白尾链上的侧链基团（如氨基）发生翻译后修饰，主要包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等。
组蛋白和DNA之间可被理解为依靠静电吸附连接在一起。组蛋白修饰通过调节组蛋白电荷、削弱核小体与外在蛋白相互作用、招募蛋白形成复合物等方式，在其尾部发生修饰，影响染色体的三维结构，调控基因表达。
▎非编码RNA与染色质相互作用
非编码RNA是一类不具有编码功能性蛋白或多肽能力的RNA，在DNA和mRNA两个层次，具有调控基因表达的效果。
与DNA甲基化修饰和组蛋白修饰相比，非编码RNA种类很多，但由于碱基互补配对，使之能识别特定的DNA序列，使得非编码RNA能够进行特异性的调控。同时，不同于DNA甲基化和组蛋白修饰一般针对一个或少数基因位点，非编码RNA不仅能对单个基因进行活性调节，也可以对整个染色体活性进行调节。目前，我们对非编码RNA的研究程度，尚不及DNA甲基化和组蛋白修饰。
非编码RNA一般分为三类：管家非编码RNA，如组装蛋白质中负责搬运氨基酸的tRNA；小RNA，如环状RNA、miRNA等；以及研究相对较少的长非编码RNA。
三花猫的毛色就是由一段名为Xist的长非编码RNA调控造成，Xist也是人类发现的第二个长非编码RNA。这条RNA在女性体内，能通过结合在一条染色体上，反复缠绕，诱导一条X染色体的大部分基因发生转录沉默。这一现象的生理意义在于，男性只含有1条X染色体，而女性含有2条。失活其中一条造成基因转录沉默，能够达到两性之间基因表达剂量平衡。
为什么有的三花猫毛发表达黑色基因，有的表达黄色，而非黑黄混在一起的棕色？因为两条分别编码黑色和黄色基因的X染色体，有一条染色体失活。这种失活是随机的。而三花猫的黑色和黄色毛发看起来是一簇一簇的，这可能是由于X染色体失活发生在发育早期，并且这种失活状态可以稳定遗传。因而，分裂后的细胞仍然维持同一个毛发颜色的表型。
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表观遗传学的发展脉络
1942年，生物学家Waddington提出“表观遗传学”的概念。之后，表观遗传学在关键物种和机制、测序和成像技术、分子调控工具、临床检测与药物研发应用等细分方向不断取得进展，经历了从观测、测量，到操控与制造的发展过程。
这些“测量端”的进步，为表观遗传学积累了大量数据。一方面率先转化为临床应用，出现了包括荧光原位杂交基因检测、肿瘤基因DNA甲基化检测等临床诊断产品，以及组蛋白去乙酰化酶抑制剂（如西达本胺）等治疗药物。
另一方面，测量端的进步也推动了表观遗传修饰（DNA甲基化修饰、组蛋白修饰、非编码RNA与染色质相互作用）与细胞表型之间因果关系的研究。比如，在分子水平，Crispr技术成为精确进行表观遗传修饰的有效“操控”工具之一。这些分子调控工具积累的研究数据，有望推动新一代表观遗传学药物和临床检测技术的出现。
总体而言，表观遗传学的发展有两大基础。在需求端，人们对于复杂发育调控规律的探索，对于肿瘤、神经系统疾病、免疫疾病等复杂病种有强烈的诊疗诉求。在技术端，关键物种解析、高通量测序、高分辨影像学、分子工具等不断进展。未来，需求端与技术端将继续推动表观遗传学的发展。
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如何研究表观遗传学？
我们在上文提到，DNA修饰、组蛋白修饰和非编码RNA三种主要的分子调控机制，从微观层面影响表观遗传。那么，在中观层面，人们主要通过染色质及其核小体单元，对表观遗传进行观测和操纵。
在表观遗传学领域，研究方法是目前还在不断迭代的热点领域。表观遗传学以染色质为研究对象，解析染色质的方法主要分为两类，一是以显微镜为基础，直接观察染色质的空间结构，二是结合高通量测序，直接或间接确定染色质的序列、修饰和形态。
近十年来，在经典方法基础上，发展了一系列测序手段和显微观测手段，推动了研究的进步。在科研端，呈现三大发展趋势，一是开发更好的分子工具，从原理上提高精确度；二是向单细胞/少细胞、高通量、高信噪比发展；三是成像和测序相结合，同时提供序列和细胞空间定位等多维度信息。比如，我们观察到DNA甲基化测序工具（如BS-seq、DM-seq等）、组蛋白修饰测序工具（如CUT&Tag）、染色质可及性测序工具（如ATAC-see）在不断迭代和普及。
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表观遗传学如何为治疗疑难病症
提供新视角？
表观修饰异常引起的疾病可分为两类，一类由基因突变引起，另一类由表观突变引起，而基因没有发生突变。
根据公开数据，截至2023年8月，已有2款针对DNA甲基转移酶的药物、5款针对组蛋白去乙酰化酶的药物、1款针对组蛋白甲基转移酶的药物获批上市。根据FDA（FoodandDrugAdministration，美国食品药品监督管理局）和中国国家药品监督管理局发布的药物说明书总结，针对组蛋白修饰酶靶点的药物，在非联用给药的注册性临床试验中客观缓解率一般在30%-35%，完全缓解率一般不足10%。以DNA甲基转移酶为靶点的药物，疗效相对更弱一些。
针对表观遗传靶点开发药物的一个主要挑战是，虽然靶点蛋白在表观修饰中的生化机制相对清晰，不过在细胞生物学和疾病生理方面可能存在其它机制，使得药物脱靶作用相对难以避免，药物优化需要建立在进一步生物/生理学研究基础上。
值得一提的是，西达本胺是我国批准上市的首个化学原创新药，主要适应症为外周T细胞淋巴瘤，后扩展至乳腺癌。西达本胺针对的是调控基因表达的关键酶HDAC，能够抑制肿瘤细胞分裂、诱导细胞凋亡，同时能减轻耐药性产生。根据《西达本胺治疗外周T细胞淋巴瘤中国专家共识（2018年版）》发布的临床研究数据，接受西达本胺单药治疗的患者客观缓解率为47%；联合治疗较单药疗效存在优势，研究显示各种西达本胺的联合方案的客观缓解率在60%以上。
第二类是表观突变，一般指发育的重编程过程中，特定基因表观修饰出现异常，而无基因序列突变，比如自身免疫疾病和神经退行性疾病。多数此类疾病致病因素复杂，涉及到年龄，自然环境甚至社会环境等与人体的交互作用等。而表观遗传研究为理解疾病机制、研发新的治疗药物，提供了新的视角。
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表观遗传领域，
会出现下一个“华大基因”吗？
在生物医药领域，基因组学是能够和表观遗传学作比较的学科之一。基因组学领域诞生了Illumina、华大基因等等成功的公司。对比来看，我们相信，表观遗传学也同样有发展潜力。
第三，表观遗传学的检测手段更加丰富。除了测序，表观遗传学还能通过影像学方法，提供更多维度的信息，提高临床应用转化的可能性。
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表观遗传学领域，
有哪些创业投资机会？
未来，表观遗传学会有怎样的发展前景？
首先，表观遗传修饰提供了细胞的可塑性，即个体对于环境的适应能力和适应速度。从这个意义上，表观遗传学在肿瘤、神经系统疾病、免疫系统疾病等关乎代谢、分化障碍的疾病上会有不错的发展前景。
在科研端，新的测试工具和方法仍将不断涌现，向单细胞、高通量方向发展。这些新方法、新工具可能将显著降低成本。表观遗传学是一种“组”学，但不仅只有一维序列，也包含二维染色体联结频率和三维的空间构象与细胞内定位，在更高、更多的维度上发现规律，可能将成为研究趋势。
药物研发上，基于表观遗传学靶点开发药物仍然存在机会。目前的挑战在于，我们对靶点关联疾病的特异性的研究相对不足。人们相对清晰地了解了表观修饰的生化作用，但还未充分阐释靶点的细胞学作用和疾病病理。在临床上，我们仍然很难优化既有表观遗传靶点药物的有效性和安全性，很有必要继续探索背后的细胞生物学机制。