表觀遺傳學

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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。

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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

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