生命之初，新在哪裡：我們為何生而不同 | 表觀遺傳專欄

每個生命生而不同，圖片來自NY Daily 

編者按：

生命如同一條河流，既不會返老還童，也不會永葆青春，而是以一定的速率在有序地變化著。父母的遺傳物質讓我們獲得新生，而表觀遺傳不僅讓我們變得與眾不同，同時也讓生命過程精彩異常。到底新生命的「新」在哪裡，為什麼是「新的」，以及如何完成「新的征程」，這些都可以從生命之初的表觀遺傳變化來進行解釋。本專欄由《知識分子》特邀復旦大學教授於文強組織策劃，邀請國內外表觀遺傳學領域工作者共同完成，了解表觀遺傳領域近年的發展概況以及解釋我們日常有意思的生命現象，是我們開設此專欄的初衷。

撰文 | 於文強（復旦大學生物醫學研究院教授）

責編 | 葉水送

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《聖經》上說：人「必須重生」，就是在已有生命的基礎上，再造一個新生命。一個嬰兒孕於母胎，發育生長，最後出生，這是生命的奇蹟，有無窮無盡的奧秘藏在其全部過程當中。所謂的生容易、活容易，生活不容易，那是因為對生命誕生的本質不了解，其實生是最不容易的事，可謂「九死一生」。

生命誕生之初，千軍萬馬的精子，各顯神通，最後只有一個幸運兒能夠在黑燈瞎火中遇到它夢中的「情人」，其他的精子只能是「出師未捷身先死，長使英雄淚滿襟」了。但我們也不要羨慕那個幸運兒，因為這次勝利只不過是萬里長征剛走完的第一步。能否修成正果，還要看受精後的一系列生命事件毫無差錯地序貫發生，新生命才得以最終形成。生命的誕生是一場不容任何差錯的接力賽，稍有差池，必將萬劫不復，到頭來只能是竹籃打水一場空。

生命如此神奇，千百年來，引無數英雄競折腰。有多少人在一遍又一遍地大聲問，生命究竟是什麼？這是看似簡單，但從不同的角度就有諸多答案的問題，很難給出一個標準的答案。然而，生命現象又無時無刻出現在我們的周圍，讓我們的生活多姿多彩。從低等生物到高等生物，從肉眼看不見的細菌到鬱鬱蔥蔥的大樹，從討厭的蚊蠅到惹人愛憐的寵物，再到自詡為萬物之靈長的人類。它們讓這個星球生機盎然。

生命有一個共同的特徵，那就是必須有一段特定的序列。它們由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）（或尿嘧啶）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）4個簡單的字母組成的DNA或RNA序列。而組成生命的蛋白質，也是由20種不同的氨基酸所組成，它們構成了生命的形態。如果說序列就是生命，這並不準確，例如恐龍、猛獁象等諸多生命早已滅絕，儘管人們仍在努力通過基因擴增技術，嘗試獲得它們的DNA序列，但至今未獲成功。同樣地，當一個生命個體死亡後，其DNA序列由於其自身的穩定性，還會存在很長一段時間，這足以說明序列的存續，並不代表生命現象的存在。

那生命又是什麼？生命的另一個特徵是有序的變化，比如春夏秋冬，樹葉由綠而黃，所謂的「一葉知秋」就是對變化的生命最好詮釋。同樣的道理，人從出生那天起，就要慢慢地長大，從懵懂的幼兒到朝氣篷勃的少年，經過躊躇滿志的青年，再到成功在握的中年，然後步入白髮婆娑的老年。人生就是一條單行線，所謂的長生不老或返老還童，僅是美好的願望和夢想，而從老活到小或逆生長，只能在科幻電影或童話故事中才能看到。如果人體靜止在某個生長階段，簡直不可思議，從另一個角度來講，永葆青春的秘訣也許意味著生命的終結。有序變化才是生命永恆的主題。

變化中的生命。原圖來自santabanta.com，有修改

在變化的生命長河中，是什麼因素推動著生命有序變化和生生不息？那就是表觀遺傳（Epigenetics）。我們從父母那裡繼承的DNA序列，在我們短暫而又漫長的人生中，它們幾乎不會變化，而DNA之外的信息卻隨時隨地在變化著。表觀遺傳簡單地來說，就是不依賴於DNA序列的遺傳。它包括3個各自獨立又相互關聯的方面：即DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA的調控。有人說，生命現象不僅要有變化，生命還必須對外界的刺激做出反應。同卵雙生的雙胞胎儘管有相同的DNA序列，但他們總會存在這樣或那樣的不同。同樣我們知道，世界上沒有一片相同的樹葉，即使在同一顆樹上，我們也很難找到一模一樣的葉子，這些用遺傳學理論很難解釋的現象，用表觀遺傳學知識即可迎刃而解。生命的表觀遺傳特徵讓世界變得精彩異常。

生物體對外界環境變化的響應是生命現象的另一個重要特徵。生物體中內在表觀遺傳學變化正是生命自身對外界環境的忠實記錄和總結，所以從這個意義上來說，表觀遺傳學是連接生命衍變與環境響應的橋樑。

表觀遺傳學的三足鼎立，原圖來自biomedicalcomputationreview.org，有修改

伴隨著新生兒的第一聲啼哭，一個新生命誕生了，我們的人生旅途也就此開始。人們習慣於將出生的那一天看成是新生命的開始，但這僅是社會屬性賦予的意義。一個人生物學意義上的生日即真正起點，應該是精子和卵子結合的那一刻，它形成了一個獨一無二的新細胞，所以受精卵才是新生命的開端。受精卵經過第一次細胞分裂，形成2個細胞，然後經過4細胞期、8細胞期，最後到囊胚期，經由輸卵管進入宮腔，埋在子宮內膜中，著床發育，這個過程就像種子扎到土壤中一樣，最後發育成一個新的生命個體。

新生命的誕生並不像我們描述的那麼簡單，而是存在著機遇與巧合，不僅看運氣，還得看人品。通俗地講，就是要具備天時、地利、人和。所謂天時，因為卵子排出後僅可存活1天，而且只有前半天有受精能力，精子必須在這個時候遇到卵子才能受精，也就是在合適的時間遇見正確的人。沒運氣，能行嗎？所謂地利，我們知道卵細胞直徑大小約0.2毫米，而精子的總長度約為0.05毫米。如果將輸卵管比作高速公路的話，大部分精子在這場馬拉松式的長跑中，只能遺憾地與卵子擦肩而過，失去受精的機會，所以跑得好、跑得快，不代表趕得巧，這時候攢人品最重要。不僅如此，輸卵管中的環境也是受精卵細胞進行發育的重要條件，因為在體外普通細胞培養條件下，受精卵根本就不會分裂，即使勉強到二細胞期也會停止分裂，稱為「二細胞魔咒」。現在廣泛使用的幹細胞培養基配方也是得益於對輸卵管液的成分解析才獲得的啟示，否則目前如火如荼的幹細胞領域就不會出現，造福於不孕不育家庭的試管嬰兒也不知道會等到猴年馬月。所謂人和，就是受精卵在分裂到4細胞時必須要有一個沒有遺傳缺陷的正常細胞。有研究表明，在胚胎早期的4細胞期中經常有3個細胞都是不能正常發育的「壞」細胞，它們存在染色體斷裂或缺失，可能原因是胚胎早期全基因組DNA低甲基化導致的染色體不穩定。想像一下，最後那個沒有缺陷的細胞「獨苗」，還需要經過近10個月的發育，才能真正地形成一個完整的生命個體，正所謂「艱難困苦，玉汝於成」。從這個角度來講，每一個出生的個體都是自然選擇的勝利者，生命歷程中的幸運兒。所以，我們的人生歷程和「歷經磨難的出生」比起來，簡直不值一提。尚未出生，我們就趟過千難萬險。

每一個生命的誕生，我們總將其稱之為新生命，但「新」在哪裡，或者說我們與父母親有哪些不同。從遺傳學上講，生命的「新」是因為我們將父母遺傳物質合二為一，數學公式：1+1=1，在此條件下依舊成立。細胞中的46條染色體一半來自父親，另一半來自母親，依此看來我們是「新人」。但我們的兄弟姐妹也同樣繼承了父母各自一半的遺傳物質，跟他們比起來，怎麼理解我們依然是「新的」，尤其是同卵雙生的雙胞胎？雖然他們的遺傳物質相同，但還是有這樣或那樣的不同，形似而神不似，看來僅從遺傳學上很難理解一個嶄新的生命。

從另一個角度看來，在新生命的誕生初期，受精卵的發育分化經歷了巨大的表觀遺傳學變化。人體DNA序列的A、T、C、G 4種鹼基，其甲基化一般發生在胞嘧啶上，其檢測和功能研究是表觀遺傳學的重要核心內容。利用DNA甲基化抗體進行免疫熒光檢測發現，在胚胎髮育早期全基因組DNA甲基化明顯減少，父原核的DNA甲基化最先去除，在4細胞期DNA甲基化僅剩下為數不多的熒光斑點，這種低甲基化狀態一直維持到囊胚期，當胚胎在子宮著床後DNA甲基化迅速得以恢復。

眼見為實：小鼠胚胎早期DNA甲基化的擦除，圖片來自Mayer et al, 2000

需要強調的是，雖然來自父母的甲基化都要經歷一個去甲基化的過程，但是去甲基化的速率明顯不同，單鹼基解析度的全基因組DNA甲基化測序分析發現，來自父原核的DNA甲基化36小時內降到最低，但是來自母原核的DNA甲基化去除需要較長時間，這提示來自父母雙方的甲基化去除並不同步。事實上，胚胎細胞的DNA甲基化並不是需要全部去除，大約會保留20%左右，這一點非常重要，至少目前認為印跡基因DNA甲基化必須受到特殊保護並確保不被去除，因為印跡基因保證了某些基因分別從父源或母源表達，這才有了新生命的誕生過程中爸爸媽媽一個都不能少的說法，而這些DNA甲基化對維持印跡基因表達調控具有重要作用。

  甲基化的一降一升，彰顯生命的更替，圖片來自 Wu et al, 2010

我們不禁要問，為什麼在胚胎早期發育中，來自父母的基因組DNA甲基化要經歷一個去甲基化過程，然後又要恢復到一個正常的甲基化水平，一個較為經典的解釋就是我們每一個新生命必須將父母的表觀遺傳學特徵全部去除，然後在此基礎上形成我們每一個生命個體獨特的甲基化譜系，進而造就我們獨一無二的新生命，這種解釋看似合理，其實還需要大量實驗佐證。

胚胎早期的DNA去甲基化，然後再甲基化到一定的水平，這一獨特的生命現象有其他生物學意義嗎？有研究表明，如果阻斷胚胎早期的DNA去甲基化過程，胚胎的正常發育就會停止。同樣的道理，如果用DNA甲基化的抑製劑處理細胞，降低全基因組DNA甲基化水平，將有效促進iPS細胞的形成或提高核移植的效率，說明DNA的去甲基化過程是胚胎髮育的重要前提條件。另外一個很重要的問題是，胚胎早期的去甲基化過程是一個主動的過程還是一個被動的過程，目前的證據傾向於DNA去甲基化在胚胎髮育中是一個主動的過程，至少父源基因組是通過一種去甲基化酶Tet3介導的，這種酶會將甲基化的胞嘧啶轉變為5-羥基胞嘧啶再經過一系列的氧化過程，最後通過DNA的鹼基切除、修復，完成DNA的去甲基化。母源性的基因組有部分證據顯示是通過細胞分裂被動稀釋完成去甲基化過程的，但更多的證據支持母源性DNA也存在主動的去甲基化過程。

令人不解的是，胚胎早期Tet3介導的DNA去甲基化過程的最後一步，是通過DNA的鹼基切除修復完成的。在精卵結合後的36小時內完成大量鹼基切除、修復且要維持基因組的穩定，似乎又是一個不可能完成的任務。令人費解的是，早期胚胎髮育中為什麼要冒破壞基因組穩定這麼大的風險來完成DNA的去甲基化過程，所以有人提出胚胎早期DNA的去甲基化過程，也許存在由其他因子介導的直接的或一步到位的去甲基化過程，而這需要更多的證據加以證明。

  Tet3介導的一個神奇過程，圖片來自Kohli et al, 2013

有意思的是，生殖細胞在發育過程中也要經歷一個全基因組DNA甲基化的去除再恢復的過程，有證據表明Tet3也參與了這一過程，而DNA甲基化的恢復在男孩和女孩間有所不同，男孩在出生後生殖細胞的DNA甲基化就得到恢復，而女孩要等到月經初潮時DNA甲基化才完全恢復，而這其中的機制目前尚不清楚。生殖細胞的DNA甲基化的動態變化更加凸顯了生命的神奇之處，我們的下一代已經將尚處在胚胎時期的個體DNA甲基化去除，然後形成生殖細胞特有的DNA甲基化模式，如此循環往複，保證我們生命延續過程的一次又一次更新，一代又一代的相似而不同。

DNA甲基化作為重要的表觀遺傳學標誌在胚胎早期的變化，揭示了我們個體不同於父母的表觀遺傳學修飾。而組蛋白修飾作為另一種表觀遺傳學的調控方式在胚胎早期同樣經歷了一些列的變化。來自精子參與基因激活的組蛋白修飾H3K4me3會在受精卵中被擦除，而卵細胞中的一種較為寬泛的組蛋白修飾H3K4me3（非經典修飾）在受精卵的早期，短暫保留後，在二細胞末期也會被迅速擦除，然後胚胎再建立起新的經典H3K4me3模式。

與DNA甲基化動態變化不同，這種新的組蛋白修飾模式不是在胚胎著床後才建立，而是提前到二細胞末期就逐步建立起來。進一步的研究發現，參與基因沉默的組蛋白修飾H3K27me3則呈現不同的動態變化。首先精子來源的組蛋白修飾H3K27me3在受精後很快被擦除，而卵子來源的H3K27me3僅在發育相關基因的啟動子區域在受精後很快被擦除，而後在胚胎著床後這種組蛋白修飾H3K27me3又會重新建立，看來卵子來源的這種和基因沉默有關的修飾與DNA甲基化相類似，從而形成生命個體獨有的表觀遺傳學模式，開啟生命延續的新征程。

組蛋白修飾為新生命標新立異，圖片來自Zheng et al, 2016

龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞，這種說法承載了親代與子代生物學行為和社會學行為的延續。然而，作為一個新生命，我們總想知道我們到底與父母親有哪些不同，這些不同又是如何形成的？每一個獨立的個體不僅從父母那裡繼承了許多共同的東西，也有義務將他們遺傳下去，這裡面既包含了遺傳學的特性，也包含了表觀遺傳學的特徵，它們共同記錄了父母和祖輩的生活軌跡。同時我們也與父母不同，我們是一個獨立的新生命。鑒於遺傳學與表觀遺傳學存在相互作用和關聯，父母不同的遺傳物質會相互影響，進而改變特定位點表觀遺傳學狀態，從而使我們有的地方像母親多一點，有的地方像父親多一點。

彩虹家庭，圖片截自dailymail.co.uk

通過測定父母和子女外周血中某些特定細胞的基因組和表觀基因基因組學特徵，進而找出父母親特徵性單核苷酸多態性（SNP），它決定了我們人與人之間的不同及患某種疾病的風險。根據這些來自父源或母源的SNP，我們可判定來自父源或母源基因在子代的表達以及DNA甲基化情況。在此基礎上，我們就有可能判斷哪些特徵來源於父母親的繼承，哪些是我們獨有的表觀遺傳學特徵。

如果用不同品系的小鼠來完成這項實驗，就可以用更多的器官組織來驗證子代與親代遺傳與變異，其差別有多大，新生命到底有多「新」。新的生命，新的起點，探索永遠在路上。我們不僅想知道新生命「新」在哪裡，更想知道為什麼是「新的」以及如何完成「新的征程」。

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