环境与跨代表观遗传学

环境与跨代表观遗传学是表观遗传学的一个领域，研究外部和内部环境信号——营养、压力、毒物和其他暴露——如何在不改变DNA序列的情况下，在基因组上留下可遗传的分子标记，以及这些标记是否以及如何在一个个体的生命历程中持续存在，或跨细胞分裂和世代传递。它将表观遗传学的经典分子机制（DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA）与发育、疾病风险、衰老和遗传等问题联系起来。

Definition

环境与跨代表观遗传学是研究在不改变底层DNA序列的情况下发生的、对环境有响应的、有丝分裂（有时是减数分裂）可遗传的基因调控变化，以及它们对发育、疾病和衰老的影响。

Scope

该领域围绕四个相互关联的主题引导读者：表观基因组如何对环境做出可塑性反应；环境诱导的标记是否可以跨代遗传；早期生命和产前条件如何编程后来的健康（发育起源框架）；以及累积的表观遗传变化如何追踪生物衰老。它是一个概念和证据的参考概述，而非临床指导，并且它特意区分了已确立的机制和有争议的主张。

Sub-topics

• 环境表观遗传可塑性
• 表观遗传衰老与衰老时钟
• 胎儿编程与DOHaD
• 跨代表观遗传学遗传

Core questions

• 环境暴露如何改变表观基因组，这些改变的稳定性如何？
• 环境诱导的表观遗传标记能否遗传给后代，以及在何种证据标准下该主张成立？
• 产前和早期生命条件如何编程成人疾病风险？
• 表观基因组如何随年龄变化，这些变化能否被测量？

Key concepts

• 表观遗传可塑性
• DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA
• 发育编程
• 跨代遗传与代际遗传
• 表观遗传重编程和生殖系屏障
• 表观遗传年龄和衰老时钟
• 基因-环境相互作用

Mechanisms

该领域共同的分子基础是表观基因组：DNA甲基化、共价组蛋白修饰、染色质重塑以及在不改变序列的情况下调节基因表达的非编码RNA（Jaenisch & Bird, 2003）。环境信号被转导到这些标记上，产生依赖于背景的转录变化（Feil & Fraga, 2012）。两波全基因组表观遗传重编程——在生殖系和早期胚胎中——通常会擦除大多数标记，这就是为什么环境诱导标记的真正跨代传递需要该标记逃脱重编程，这是一个要求很高的机制障碍（Cavalli & Heard, 2019）。

Clinical relevance

了解环境如何塑造表观基因组有助于解释疾病风险的人群模式以及早期生命条件对成人健康的深远影响（Gluckman et al., 2008）。该领域为解释表观遗传生物标志物和暴露研究提供了概念背景；它描述了机制和证据，而不是个体诊断或治疗的基础。

Epidemiology

环境表观遗传效应的研究涵盖营养、产前饥荒和压力、内分泌干扰化学品、吸烟和空气污染，人类证据主要来自观察性研究和队列研究设计，动物证据来自受控暴露实验（Feil & Fraga, 2012; Cavalli & Heard, 2019）。证据的强度因主题而异——对生命周期内的可塑性和发育编程而言最强，对人类的多代遗传而言争议最大。

History

环境留下持久生物印记的观点早于分子表观遗传学，但现代综合是在DNA甲基化和染色质标记可以测量之后出现的。Jaenisch和Bird将表观基因组框定为内在和环境信号的整合者（2003）巩固了该领域，随后的评论将环境表观遗传学与疾病和关于遗传性的争论联系起来（Feil & Fraga, 2012; Cavalli & Heard, 2019）。

Debates

哺乳动物的跨代表观遗传有多强的鲁棒性？

由于生殖系和胚胎重编程会擦除大多数标记，因此关于环境获得的表观遗传状态在哺乳动物中跨多代遗传的主张仍然存在争议，并且许多报道的人类证据不能排除共享环境或遗传混杂因素。

Key figures

• Rudolf Jaenisch
• Adrian Bird
• Robert Feil
• Giacomo Cavalli
• Edith Heard
• Peter Gluckman

Seminal works

• jaenisch-bird-2003
• feil-fraga-2012
• cavalli-heard-2019

Frequently asked questions

代际表观遗传效应和跨代表观遗传效应有什么区别？

代际效应可以通过后代或其生殖系的直接暴露来解释（例如，一个怀孕的个体、胎儿和胎儿生殖细胞都同时暴露）。真正的跨代遗传要求效应在从未直接暴露的世代中持续存在，这是一个更强、要求更高的主张。

环境表观遗传学是否意味着经历会改变我们的DNA？

不。环境信号可以改变DNA上方的表观遗传标记——例如甲基化和染色质状态——这些标记调节基因活性，但它们不改变DNA序列本身。