经典遗传学的主要定律（表观遗传VS经典遗传）

原创：康攀医生

审核：广州中医药大学第一附属医院 王海彬教授

文章所属：王海彬教授团队，转发请标明出处

"种瓜得瓜，种豆得豆"，一句脍炙人口的古语暗示了生命遗传的特征与稳定。古往今来，对于生命本质的研究以及外在世界的探索，一直是人类发展的两大难题。跨越中世纪的黑暗与彷徨，挣脱纯粹哲学的苦思冥想，文艺复兴和大航海时代特别是19世纪以来，世界涌现出一大批卓越的物理学家、化学家、生物学家，极大地影响了世界。在希腊圣城德尔斐神殿上刻有一句著名箴言：认识你自己。如上述问题，你肯定想知道，我们为什么是我们。

1豌豆与"苍蝇"的故事

为我们解答上述问题的有两位生物学领域的英雄：经典遗传学奠基人孟德尔和现代遗传学之父托马斯-摩尔根。

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出于对生物遗传现象的好奇与困惑，1857-1864年，奥地利的孟德尔进行了著名的豌豆杂交实验，总结出生物遗传的两条基本规律：当两种不同植物杂交时，它们的下一代可能与亲本之一完全相同。不同植物品种杂交后的第一代种子再进行杂交和自交时，下一代就会按照一定的比例发生分离而具有不同的形式。这就是生物遗传的统一规律与分离规律，且分离规律对于动植物的杂种后代都适用。孟德尔的豌豆杂交实验揭示了遗传的物质性。

无独有偶，1910年美国的摩尔根和他的助手们发现了第一只白眼雌果蝇，正常情况下，果蝇都是红眼，称为野生型，他们将白眼果蝇称为突变型。摩尔根将白眼雄果蝇和红眼雌果蝇交配，得到的第一代全为红眼果蝇，这论证了孟德尔的统一规律。第一代果蝇互相交配，得到的第二代既有红眼也有白眼，但白眼都为雄性，说明白眼形状与性别有关。这点却与孟德尔的独立分离规律不一致，原因在哪呢？果蝇有四对染色体，所有果蝇都有一对颗粒状及两对V形染色体，雌果蝇有一对棒状的XX染色体，而雄果蝇有一对棒状的X染色体和J形的Y染色体组成的XY染色体。摩尔根推想白眼基因位于X染色体上，而Y染色体上没有它的等位基因。将第一代红眼雌果蝇和白眼雄果蝇亲本杂交，产生的后代有1/4是红眼雌果蝇，1/4是白眼雄果蝇。说明了白眼隐性突变基因位于X染色体上，这一现象被称为遗传性状的连锁规律，又称连锁遗传。

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现在我们知道，当研究的两个基因位于同一染色体上而又距离相近时，摩尔根的连锁遗传规律起主导作用，位于不同染色体上时，孟德尔的独立分离规律起主导作用。[1]孟德尔和摩尔根之后，DNA的发现与基因学说的发展以及中心法则的建立逐渐丰富了经典遗传学，也逐渐揭秘了生物遗传的大部分现象。但是经典遗传学却无法解释一些现象：如生活在一起的毫无血缘关系的人随着时间环境等的变化而相貌相似、居住于不同环境条件的同卵双胞胎性格、样貌迥异等。

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2"王冠上的明珠"-表观遗传学

经典遗传学是指基因型的遗传，即细胞中遗传物质也即遗传信息改变而导致的遗传现象。如果把经典遗传学比喻成生物学领域的"王冠"，那么表观遗传学就好比"王冠上的明珠"， DNA 双螺旋结构发明人、诺贝尔奖获得者 Watson 曾经说过：你可以继承 DNA 序列之外的一些东西，这正是现代遗传学让我们激动的地方。换言之，环境和成长经历也可能改变基因。表观遗传学正是要研究这个奥秘。1942年英格兰生物学家沃丁顿在Endeavour杂志中第一次提出表观遗传学，指出表观遗传学与经典遗传学是一对相对应的概念，当时并没有引起人们的重视，40年沉寂后又被重新提出并开始迅速发展。系统来说，表观遗传指所有不通过DNA 序列改变就能影响基因表达的、可遗传的调控方式，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和微小RNA ( miRNA) 等，其调节的效应有基因组印记、母性效应、基因沉默、核仁显性。[2]

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3表观遗传与骨质疏松症

骨质疏松症是一类全身性代谢性骨病，病因复杂，其中遗传因素起到非常重要的作用，而表观遗传机制在骨发育和骨重建过程中对骨稳态相关细胞基因的调控发挥着重要的作用，与骨质疏松症具有较强的相关性。

图 骨质疏松症，胸背部疼痛3周，T7椎体压缩性骨折

3.1 DNA甲基化与骨质疏松症

DNA 甲基化是一种常见的表观遗传学修饰，指在DNA甲基转移酶(DNMT)的作用下，以3-腺苷甲硫氨酸(SAM) 作为甲基供体，将甲基转移到胞嘧啶的第5位碳原子上，进而将胞嘧啶(C) 转化为5-甲基胞嘧啶(5mC)。[3]在脊椎动物中，DNA甲基化的最主要的位点是CpG二核苷酸[4]，其中分布在启动子区的CpG二核苷酸多成簇存在，G C 含量超过50%，这段富含CpG 的DNA称为CpG岛。CpG岛多位于转录调控区附近，当其处于非甲基化状态时，基因可正常表达，当其发生甲基化时，可抑制基因的表达。DNA甲基化影响成骨细胞的分化，也影响破骨细胞的分化和吸收。有研究[5]通过建立骨髓间充质干细胞（MSCs）成骨分化模型，利用DNA甲基化抑制剂5-氮胞苷研究了DNA 甲基化对MSCs 成骨分化的影响。在成骨分化诱导前用5-氮胞苷预处理MSCs 24 小时，其成骨分化效率明显提高，并伴随着基因组整体水平上DNA 甲基化修饰的减少。另有研究 [6]发现，人成骨细胞和骨细胞的碱性磷酸酶（ALP）启动子区具有相反的DNA 甲基化谱，前者ALP启动子区呈低甲基化，后者ALP启动子区呈高甲基化，表明DNA甲基化途径可抑制ALP在骨细胞的表达。

3.2组蛋白修饰与骨质疏松症

组蛋白的氨基末端(N-末端) 可发生多种共价修饰，如乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化等[7]，这些修饰通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性，改变染色质的凝集状态，影响DNA序列的转录因子与之结合，进而影响基因的转录。组蛋白修饰的酶主要有组蛋白甲基转移酶、组蛋白乙酰转移酶、组蛋白激酶和组蛋白泛素化酶等，有研究[8]发现组蛋白去甲基化酶KDM4B受到人重组骨形成蛋白( BMP) 信号系统调控，并可以通过调节DLX 基因族从而促进骨髓间充质干细胞成骨分化，提示KDM4B 与骨质疏松症相关。

3.3非编码RNA与骨质疏松症

抗分化非编码RNA是一种对分化起抑制作用的LncRNA，Tong等[9]检测发现绝经后骨质疏松患者血液单核细胞中的抗分化非编码RNA显著上调，进一步研究发现抗分化非编码RNA能促进单核细胞中炎性因子IL6和TNF的mRNA和蛋白水平的表达，促进破骨细胞的形成以及骨骼的吸收。抗分化非编码RNA还可直接与组蛋白甲基转移酶EZH2相互作用，抑

制Runx2表达和成骨细胞分化[10]。此外，在骨骼中还有其他多种LncRNA在成骨细胞的分化过程中发挥了作用。

化学修饰比改变基因结构更容易快捷，相对于经典遗传基因型遗传来说，表观遗传修饰具有很大的灵活性，为生物适应环境等变化提供了一种适宜的应变机制，同时也具有可逆性、习得性。表观遗传学方面的深入研究将能进一步揭示骨生物学基础的基本机制以及骨重建的微妙平衡，为诊断和治疗相关骨科常见疾病提供新的靶点，

参考文献

[1]现代分子生物学.高等教育出版社2019年6月第5版

[2] 康静婷，梁前进，梁辰，等． 表观遗传学研究进展［J］． 科技导报，2013，31( 19) : 66-74．

[3] 李建涛，荆晶，陈韵岱. 心血管疾病与DNA 甲基化关系研究进展［J］. 解放军医学院学报，2015，36（7）：748-750，754.

[4] Sajjanar B，Trakooljul N，Wimmers K，et al. DNA methylation analysis of porcine mammary epithelial cells reveals differentially methylated loci associated with immune response against Escherichia coli challenge［J］. BMC Genomics，2019，20（1）：623.

[5] 张晓蕾． DNA 甲基化对骨髓间充质干细胞成骨分化的作用［D］． 浙江: 浙江大学，2010: 1-36．

[6] Delgado-Calle J，Sanudo C，Sanchez Verde L，et al． Epigenetic;regulation of alkaline phosphatase in human cells of the osteoblastic lineage［J］． Bone，2011，49: 830-838．

[7] Qin J，Wen B，Liang Y，et al. Histone Modifications and their Role in Colorectal Cancer（ Review）［J/OL］. https ：//doi.org/10.1007/s12253-019-00663-8

[8] Ye L，Fan Z，Yu B，et al． Histone Demethylases KDM4B and KDM6B Promote Osteogenic Differentiation of Human MSCs［J］．Cell Stem Cell，2012，11( 1) : 50-61．

[9] Tong X，Gu PC，Xu SZ，et al. Long non-coding RNA-DANCR in human circulating monocytes ：a potential biomarker associated with postmenopausal osteoporosis［J］. Biosci Biotechnol Biochem，

2015，79（5）：732-737.

[10] Zhu L，Xu PC. Downregulated LncRNA-ANCR promotes osteoblast differentiation by targeting EZH2 and regulating Runx2 expression［J］.Biochem Biophys Res Commun，2013，432（4）：612-617.