表觀遺傳學

表觀遺傳學 (Epigenetics)
國立臺灣師範大學生命科學系 黃培綺

在臺灣，國、高中生物所學到的傳統孟德爾遺傳學說，對於解釋性狀的不同表現，其原因是因為控制性狀的基因型不同，而造成性狀在表現型上有所差異，然而這個解釋無法說明，一個多細胞生物其細胞具有相同的DNA序列及基因型，卻具有各式各樣不同表現型的細胞，例如肌肉細胞、神經細胞、上皮細胞、血管內皮細胞等，決定這些細胞種類的不同不是DNA序列或基因本身，而是基因表達模式的不同，且在細胞世代之間，基因表達模式可藉由細胞分裂遺傳至下一代的細胞。

圖一、核小體
(nucleosome) 構成真核生物染色質的基本單位，DNA與組織蛋白結合形成核小體示意圖。
圖片來源：維基百科

研究在不改變DNA序列的前提下，亦即在相同的DNA序列下，透過調控基因活性的機制，所引發具有遺傳性且穩定、長期的基因表達或細胞表現型的變化，就是「表觀遺傳學 (epigenetics) 」。表觀遺傳學是1980 年代才逐漸發展興起的一門科學，又稱為「表遺傳學」、「外遺傳學」、「擬遺傳學」或是「後遺傳學」，英文為epigenetics，其中「epi-」源自希臘文，有「在…之上」或「除…之外」的意思，「-genetics」就是遺傳學。因此，表觀遺傳學的特徵是在傳統的分子遺傳學之上或之外的遺傳學。

而表觀遺傳學也能這樣解釋：在不涉及核苷酸序列改變的前提下，功能性相關的染色體改變。此種染色體改變的機制包括了「DNA甲基化 (DNA methylation) 」和「組織蛋白修飾 (histone modification) 」等，這樣的調控機制皆能在不影響DNA序列的前提下，造成基因表達的不同。另外，藉由抑制蛋白結合在DNA的沉默基因區域，也能調控基因的表達。這些表觀遺傳學上的變化，也就是表觀遺傳現象，可能可以通過細胞的有絲分裂或減數分裂保留下來，並可能持續遺傳好幾代，而這些變化都僅僅是在非基因因素的層次上，導致生物體基因表達的不同。

傳統的遺傳學主要在研究基因序列如何影響功能，相較之下，表觀遺傳學主要是在研究表觀遺傳現象的形成與維持的機制，其研究的主要內容有兩大類，分別為

（一）、基因選擇性轉錄表達的調控，包括DNA甲基化、組織蛋白修飾、基因體印記 (genomic imprinting) 以及染色質構形重塑 (chromatin remodeling) 等。
（二）、基因轉錄後的調控，包括基因序列中非編碼RNA (ncRNA)、反義RNA (asRNA)、微小RNA (miRNA)、內含子 (intron) 以及核醣開關 (riboswitches) 等。

表觀遺傳學主要在探討真核生物中細胞分化的過程，其中，在胚胎形態形成的過程中，全能幹細胞將逐漸分化成完全不同且具有不同功能的細胞，也就是說在一個受精卵進行細胞分化，分化出各種不同類型的細胞，並透過抑制其他細胞和活化與其相關的基因而進行持續的細胞分裂。

表觀遺傳學曾經登上2010年6月18日發行的時代雜誌 (TIME) 的封面，標題為「DNA無法決定命運 (Why Your DNA Isn’t Your Destiny) 」，其在生物科學領域的重要性可見一斑。

參考資料

1. Epigenetics Source: http://en.wikipedia.org/wiki/Epigenetics
2. Spector, Tim. (2012). Identically Different: Why You Can Change Your Genes. London: Weidenfeld & Nicolson. p. 8.
3. TIME: Why Your DNA Isn’t Your Destiny, http://content.time.com/time/covers/0,16641,20100118,00.html