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簡介:表觀遺傳學

ComeForHealth.康活健康知識網:更新日期: 2012/08/23

表觀遺傳學 (Epigenetics) 是生物學的一個新興領域。專門研究在沒有改變細胞核 DNA 序列的情況下,細胞如何能經由其他方法,將某些基因的表現 (gene expression) 程度,達到可逆轉、可遺傳的改變,其改變的遺傳遠度,甚至於將超過第三代。這些基因功能的改變和遺傳,能增加生物體及其後代對所處環境的適應力,但也能造成健康上的影響。

希臘字首 epi 的意思是:超過、之上、之外、附加、表面;genetics 是:遺傳學、基因學;所以 Epigenetics 也被翻譯成:擬遺傳學、表遺傳學、外遺傳學、後遺傳學、超遺傳學、表觀基因學等。


DNA 序列,是遺傳的基本根據

人體的非生殖細胞都有 23 對染色體,其中一對在女性是兩個 X 染色體,在男性則是一個 X 和一個 Y 染色體。染色體含有遺傳物質,是長鏈 DNA;而 DNA 又是由 A、C、G、T 四種核苷酸 (Nucltotide) 排列組合,連接而成。

所謂基因就是一段雙鏈 DNA,它的核苷酸序列可以被轉錄 (transcription) 到對應的單鏈 RNA上;而這 RNA 上面的序列資訊,可以被用來決定一個對應的蛋白質的胺基酸的排列組合的次序。一套人體 DNA 有 23,000 個基因,也就是說人體的遺傳資訊總共可以做出大約 23,000 個不同結構的蛋白質。

每一個基因,在不同細胞、或同一細胞的不同時候,表現的程度不同,意思就是說它被轉錄出相對應的 RNA、或製造相對應的蛋白的活躍度,隨著不同細胞或不同時候會各自不同。

我們身體上所有的不同細胞本來都是由單一受精卵經過不斷的分化而形成的,細胞會分化成肝細胞、皮膚細胞、肌肉細胞、骨骼細胞、神經細胞、血液細胞等。雖然,非生殖細胞都擁有人體所有的基因;但是,在不同種類的細胞裡,有完全不同的基因表達的面貌、製造出不同的蛋白、執行不同的任務。


那麼在不改變 DNA 序列下,如何達成細胞的基因表現的改變、和細胞分化
 
表觀遺傳學的研究發現:在不改變 DNA 序列下,要如何達成細胞的基因表現的改變、和細胞分化,可能依賴於兩個主要的方法。第一個方法是由 DNA 甲基轉移酶 (DNA methyltransferase) 將細胞核某些區域的 DNA 的 CpG 雙核苷酸(CpG dinucleotide)部位的 C 鹼基加以甲基化 (methylation)。甲基化發生之後會減少該 DNA 區域的 RNA 轉錄的活躍程度,因此減少該基因所對應的蛋白質的合成,降低該區域的基因表達。

第二個改變基因表達程度的重要方法,是透過組蛋白修飾 (histone modification)。組蛋白富含精胺酸 (arginine) 和離胺酸 (lysine) 兩種帶正電的胺基酸。組蛋白的功能,是讓帶負電的 DNA 纏繞在組蛋白的上面,使 DNA 因此而壓縮了,結構上趨於穩定、安全。當組蛋白被修飾後某些離胺酸會失去正電,使 DNA 壓縮的程度放鬆,因此方便該 DNA 區域的 RNA 轉錄,基因表達的程度也就會被提升。

表觀遺傳學發現,除了以上兩種方法來改變基因表現的程度之外,還有其他方法。例如大部分的 DNA 序列並沒有用來做基因編碼,這些編碼空段往往被用來影響基因表達程度。有些從非基因編碼區域所轉錄出來的RNA,會被切成有特殊三維結構的微 RNA  (micro RNA,簡稱miRNA) 。miRNA 可以干擾他們所調控的對象基因的轉錄和蛋白質製造,以降低對象基因的表達程度;而 miRNA 的產生,又得受到 DNA 甲基化和組蛋白修飾兩種方法的調控。

細胞分化最重要的就是利用上述 DNA 甲基化和組蛋白修飾,使細胞各基因的表達程度受到控制。在胚胎成長的過程中,由一個受精卵分裂成人體不同器官的各種組織細胞,每一代細胞,不斷地增加或減少不同基因的表達程度,來逐漸完成細胞分化,最後造就了一個神奇的人體構造。

細胞的分化通常是無法逆轉的,也就是說增減某個基因的表達程度的指令,在細胞的分化和繁殖過程中是一代一代被傳遞下去,以致於不同組織細胞有不同的功能、不同的器官有他們最終的面貌和位置。


基因表現程度的改變,會被生活環境所影響,也可以被遺傳給後代

雖然細胞的分化通常是無法逆轉的,但是有一個例外;DNA 甲基化和組蛋白修飾的紀錄,在減數分裂 (meiosis,製造精子或卵細胞的步驟) 時會被幾乎完全抹滅,使受精卵回歸完全未分化的全能幹細胞 (Totipotent stem cell) 。但是這項完全抹滅工作並不是百分之百的,所以如果 DNA 甲基化或組蛋白修飾是發生在精子或卵形成之前,某些這樣的紀錄是可以從親代傳到子代、孫代、甚至於好幾代。

令人驚訝的是,基因表現程度的暫時改變無論是 DNA 甲基化或組蛋白修飾都很容易被細胞的外在環境所影響。例如我們的生活習慣,像飲食、菸酒、運動、睡眠和情緒都可以帶來表觀遺傳上的變化,不但影響自己的健康,也影響後代。

從生物適應環境的角度來看,這種不改變 DNA 序列,只靠 DNA 甲基化或組蛋白修飾的暫時性影響及暫時性遺傳,是有它的優點。因為親代可以較迅速適應環境,然後把適應環境所得到表觀基因紀錄傳給子代。而又可以在一代或數代之後,由因應新環境而改回來、或繼續進一步演變,不至於像改變 DNA 序列那樣變成硬性、近乎是永遠的改變。


表觀遺傳會影響後代疾病的發生,例如新生兒體重不足、肥胖、糖尿病

  • 心理因素也可以帶來表觀遺傳:有研究證明,孕婦罹患憂鬱症容易造成新生兒體重不足;孕婦抽菸也會造成嬰兒許多基因表達的改變。
  • 妊娠時期經歷飢荒的媽媽,其所生下的小孩在成年後較易罹患某些疾病,如葡萄糖不耐症和心血管疾病。
  • 以上孕婦帶給胎兒的改變,已證明包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾、和 miRNA 等機制。
  • 與成人細胞比較下,早期發展階段的胚胎細胞,較容易被食物造成的表觀基因改變所影響。
  • 表觀遺傳也可以透過父親—精子的路線。雄鼠被過度餵食而出現代謝症候群後,有些雄鼠會將這些特徵傳給後代。
  • 表觀遺傳可以傳幾代呢?史丹佛大學的研究者發表在 2011 年 Nature 期刊一份研究報告說,一代的食物條件,能對連續三個世代的線蟲 (C. elegans) 在壽命方面能持續地產生影響。


表觀遺傳和癌症的關聯

有害的超遺傳或表觀遺傳也會帶來癌症:如果在抑癌基因的 DNA 有過度的甲基化,就容易關閉抑癌基因的表達,使該細胞容易變成癌細胞,或使癌細胞容易發展成惡性癌;相反地,如果致癌基因 DNA 所結合的組蛋白過度被修飾,則會增加這個致癌基因的表達,而使得該細胞容易變成癌細胞,或使癌的發展惡化。

有些食物成分,例如茶葉的epigallocatechingallate (EGCG)、咖哩的薑黃素(curcumin)、葡萄的白藜蘆醇 (resveratrol)、大豆中的金雀異黃酮 (genistein,為大豆中的主要異黃酮)、十字花科蔬菜的異硫氰酸鹽 (isothiocyanates),可以減少某些抑癌基因的 DNA 甲基化,因此可以增加抑癌基因的表達,減少正常細胞變成癌細胞、或正常幹細胞變成癌、正常細胞變成癌幹細胞的機會。實驗室也證明,這些防癌的食物成分和化療藥合用時,可以增加化療藥抑制癌細胞的功效。


Ref: 
Introduction to genetics.
Epigenetics.
Your Diet Affects Your Grandchildren's DNA, Scientists Say.
Epigenetic diet: impact on the epigenome and cancer.
Impact on DNA methylation in cancer prevention and therapy by bioactive dietary components.



 


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