供稿：谭丹，武汉大学
校稿：史路菲，武汉大学
推送：史路菲，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在 Clinical Epigenetics 上，标题为 Environmental exposures influence multigenerational epigenetic transmission。通讯作者为美国哈佛大学公共卫生学院的 Kari C. Nadeau 教授。
表观遗传修饰控制基因表达，对于打开和关闭基因以调节和维持分化的细胞类型至关重要。表观遗传学也会受到多种环境暴露（包括饮食和污染物）的修饰，使个体的环境能够影响基因表达和由此产生的表型和临床结果。由于基因-环境相互作用导致的这些表观遗传修饰也可以跨代传递，这增加了发生在一代人中的环境影响可能传递到第二代之后的可能性，从而产生持久的影响。因此，本篇综述涵盖了已知的表观遗传修饰获取、重编程和持久性机制、用于理解多代表观遗传传递的动物模型和人类研究，以及环境诱导的表观遗传变化及其跨代传递的例子，作者旨在强调环境健康对当前人口乃至子孙后代的重要性。
1 表观遗传变化的类型
表观遗传修饰包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰、3D 基因组组织和 RNA 介导的基因调控，它们共同控制着基因表达和细胞功能。DNA 甲基化是最广泛研究的表观遗传修饰，它通过在 DNA 的胞嘧啶残基上添加甲基基团来调控基因表达。甲基化通常发生在转录起始位点附近的 CpG 岛上，会导致基因沉默。然而，也有证据表明非 CpG 位点的甲基化以及促进基因表达的甲基化模式。组蛋白修饰涉及对组蛋白的化学修饰，例如组蛋白的甲基化、乙酰化和磷酸化。这些修饰可以改变染色质的结构，从而影响 DNA 的可及性和基因表达。三维基因组组织指的是基因组的整体三维结构，它影响着基因表达。DNA 甲基化和组蛋白修饰都会影响三维基因组组织，进而影响基因表达。RNA 介导的基因调控涉及 RNA 分子，如长非编码 RNA 和小核仁 RNA，它们通过结合基因组或 mRNA 转录本来调节基因表达。这四种机制相互关联，共同构成了复杂的表观遗传调控网络，对细胞的命运和功能起着至关重要的作用。
2 发育过程中的表观遗传重编程
胚胎和胎儿发育过程中需要从父代和母代继承表观遗传信息，但这些信息可能受到之前暴露的影响，不利于正常发育。重编程过程将基因进行重塑和编辑可以消除有害的表观遗传修饰，确保胚胎和胎儿健康发育。此外，表观遗传修饰会随着时间的推移而变化，这种表观遗传变化发生在组蛋白修饰（绿线）和DNA甲基化（橙色线）中（图1）。表观遗传调节保留自亲本精子和卵子，并经历多轮重编程以在发育中的胎儿中呈现基线表观遗传谱。出生后，表观遗传模式在儿童期和青春期的生长发育过程中继续变化最快。
表观遗传重编程主要有DNA甲基化重编程、组蛋白修饰重编程以及胎儿器官内重编程，三种重编程共同调控基因表达和胚胎发育。DNA 甲基化重编程：胚胎发育早期经历了广泛的去甲基化，使基因组处于开放状态，有利于基因表达和胚胎发育。随后，新的甲基化标记被建立，以抑制转座元件等潜在有害元件的表达，维持基因组的稳定性。组蛋白修饰重编程：父代和母代基因组在组蛋白修饰上存在不对称性，重编程过程可以调整这些修饰，促进基因表达和胚胎发育。特定的组蛋白标记在特定发育阶段富集，调节染色质可及性和基因表达。胎儿器官中的重编程：体细胞的 DNA 甲基化模式是器官特异性的，重编程过程确保了器官特异性基因的表达和细胞分化。重编程过程是胚胎和胎儿发育的关键步骤，确保了基因组的正常表达和细胞分化。
图1 生命过程中观察到的表观遗传模式
3 表观遗传的代际传递
表观遗传修饰具有跨代传递的现象，多种模型生物的研究结果表明环境暴露可以诱导表观遗传修饰，并跨代传递。例如，在淡水水蚤中，暴露于聚乙烯微塑料、镉等污染物会导致特定的甲基化模式，并至少持续三代。同样，关于人类表观遗传传递的证据也表明，父母在孕前和产前暴露于环境因素会影响后代的表观遗传模式。例如，研究发现，父亲在怀孕前吸烟与后代DNA甲基化模式相关，母亲在怀孕期间接触铅与子代患自闭症的风险增加相关。
4 环境暴露对后代的表观遗传效应
父母在怀孕期间暴露于环境因素会影响后代的表观遗传模式，且会导致后代出现不同的健康结果。各种环境暴露通过DNA甲基化、组蛋白修饰、和3D基因组重组诱导个体表观遗传景观的变化，如图2黄色圆圈所示，这些变化可以跨一代或多代传递，而蓝圈中的特定临床结果与这些孕前和产前暴露诱导的表观遗传修饰相关。此外，多种环境暴露可能对胎儿表观遗传模式产生影响，包括母亲吸烟、接触空气污染以及接触有毒化学物质等都会导致胎儿DNA甲基化模式的改变，并可能与后代患哮喘、肥胖和癌症等疾病的风险增加相关。
图2 孕前和产前暴露通过表观遗传修饰赋予临床结果的多代遗传
综上所述，作者总结了我们目前对表观遗传机制的理解，包括表观遗传修饰的类型、表观遗传的传递、表观遗传的重编程对健康的长期影响、研究表观遗传学的模型系统以及暴露组学对表观遗传学的影响。这些信息提供了关于环境如何影响整个生命历程和几代人的健康和疾病的重要见解，以及对临床和公共卫生产生的重要影响。
文章编号：453
原文链接：
https://clinicalepigeneticsjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13148-024-01762-3
原文引用：
Eleanor Klibaner‐Schiff#, Elisabeth M. Simonin#, Cezmi A. Akdis, Ana Cheong, Mary M. Johnson, Margaret R. Karagas, Sarah Kirsh, Olivia Kline, Maitreyi Mazumdar, Emily Oken, Vanitha Sampath, Nicholas Vogler, Xiaobin Wang, and Kari C. Nadeau*. Environmental exposures influence multigenerational epigenetic transmission. Clin. Epigenet.,2024,16:145.（#为共同第一作者）
