2026年9月9日
作为"多组学详解"系列的一部分，我们将逐个解读各个组学。如需获得整体概览，请阅读我们的首篇文章《什么是多组学？生物学未来的简明指南》 您将了解各个组学如何协同工作，帮助解答人类健康领域一些最棘手的问题。如需继续探索，请阅读关于蛋白质组学和转录组学的文章。现在，让我们聚焦于表观基因组学的定义，以及研究人员如何利用它来推动生物学、疾病研究和精准医学的发展。
如果说基因组是细胞和生物体功能的蓝图，那么表观基因组就是读取该蓝图的方式。表观基因组如同一个控制面板，在不改变任何DNA代码的情况下决定哪些基因得以表达。这种开启和关闭基因的能力使表观基因组在生物学中扮演着至关重要的角色。
与基因组变化类似，表观基因组变异也能揭示疾病。在某些情况下，这些修饰甚至发生在遗传变异之前，可提供早期预警信号，帮助发现潜在的健康问题。
什么是表观基因组？
在最基本的层面上，表观基因组决定细胞功能。尽管体内几乎每个细胞都拥有相同的基因组，但肌肉、皮肤、肝脏、大脑及其他细胞类型之间的基因表达差异巨大。表观基因组在调控这些差异方面发挥着重要作用。
同样重要的是，表观基因组如同一种恒温器，帮助细胞应对环境条件，包括空气和水质、饮食和运动。例如，脂肪细胞中的表观基因组会对运动产生反应，改变基因表达以调整这些细胞储存能量的方式，并可能促进能量消耗。
表观遗传变化与衰老、癌症、神经系统疾病及其他疾病相关，使表观基因组成为揭示疾病机制和发现药物靶点的关键信息层。
表观基因组学能告诉我们什么
表观基因组学研究关键的分子参与者，即表观遗传标签，它们充当分子开关，可以增强或降低基因表达。一个关键的表观基因组学过程称为DNA甲基化，在此过程中，分子（称为甲基基团）附着到DNA上以沉默特定基因。
另一个关键机制是组蛋白修饰。如果将单个细胞中的DNA展开，其长度约为两米。因此，DNA必须紧密包装才能容纳在细胞核内。称为组蛋白的蛋白质复合物帮助完成包装工作，将染色体压缩以适应可用空间。然而，当需要开启特定基因时，甲基和其他表观遗传分子会松开组蛋白以实现表达。
异常DNA甲基化与多种疾病相关，包括癌症、代谢功能障碍和神经发育障碍。通过研究甲基化及其他表观遗传机制，科学家可以获得关于复杂疾病中基因如何被调控的宝贵见解，发现诊断生物标志物，并可能确定有希望的治疗靶点。
因美纳如何开展表观基因组学研究
因美纳开发了领先的表观遗传技术，包括新一代测序（NGS）和甲基化芯片，能够在多种研究应用中对DNA甲基化进行全基因组分析。因美纳的技术为表观基因组全基因组关联研究（EWAS）奠定了基础，该研究调查DNA甲基化模式与表型、环境暴露和疾病之间的关联，为揭示复杂性状背后的生物学通路和潜在机制提供见解。纵向研究进一步利用表观遗传分析来表征DNA甲基化随时间的动态变化，帮助研究人员探究衰老、环境暴露和疾病进展如何影响表观基因组。NGS和芯片技术共同为表观基因组学研究提供了互补的方法，并与因美纳的生物信息学生态系统集成，以实现可扩展、高质量的表观遗传数据生成和分析。
基于NGS的方法能够实现全面的生物学发现，提供全基因组甲基化信息，并揭示区域性和等位基因特异性模式。这些基于测序的方法还具有适应不同样本类型和低起始量的优势。
因美纳的5-碱基解决方案是一种NGS分析流程，可实现全基因组测序和全甲基化组测序，用于研究癌症及其他疾病的发展和演变。它能够识别甲基化胞嘧啶（四种DNA碱基之一，与腺嘌呤、鸟嘌呤和胸腺嘧啶并列），同时检测DNA变异——所有数据均来自单个样本。一种酶将甲基化胞嘧啶（5mC）转化为胸腺嘧啶，而不影响未甲基化的胞嘧啶。因此，这种技术可以读取人基因组中的所有5种碱基——A、G、C、T和5mC。
5-碱基解决方案同时提供基因组和表观基因组数据，以识别遗传变异及其调控方式。将遗传和表观遗传信息分层整合，将增强包括癌症和罕见病在内的广泛研究应用中的发现能力。与单独的基因组研究相比，这种新颖方法能够产生新的、更深入的生物学见解。
另一种常见的NGS表观遗传技术是ChIP-seq，它有助于确定蛋白质如何与DNA相互作用以调控基因表达。ChIP-seq使用抗体拉下由特定蛋白质结合的DNA片段，随后进行NGS以识别和定位该蛋白质在全基因组上的结合位点。这种无偏倚的方法提供关于组蛋白修饰、基因调控网络及其他机制的全面信息，揭示它们与疾病的潜在关系。
芯片技术仍然是DNA甲基化研究中一种强大且常用的工具。因美纳Infinium甲基化芯片以其经济性和可扩展性著称，支持在大型队列研究中分析甲基化，如百万退伍军人计划和英国生物银行。甲基化芯片还以在单个甲基化位点提供高度可重复的甲基化数据而闻名，并支持甲基化分类器的开发用于转化研究，如中枢神经系统肿瘤分类器、罕见疾病分类器和表观遗传衰老时钟。
研究人员如何利用表观基因组学
5-碱基基因组有望发现罕见病的新型遗传和表观遗传标志物，为此前未确诊的疾病提供见解。甲基化分析可补充全基因组测序和全外显子组测序，加速遗传疾病研究的发现。除罕见病外，研究人员已为150多种神经发育障碍鉴定了表观遗传特征。DNA甲基化的影响还延伸到神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病。这些疾病具有独特的甲基化模式，可塑造基因表达。
波兰什切青波美拉尼亚医科大学的研究人员正在利用5-碱基技术，通过联合基因组和表观基因组分析来理解肿瘤分类。同时生成这两类信息的能力可以帮助研究人员提出此前分别研究的问题。单个数据集可能包含关于微小变异、结构变化、拷贝数变异、甲基化模式以及这些信号之间相互作用的信息。
由于表观遗传标签对环境变化极为敏感，它们为健康、疾病和毒性暴露提供了极佳的指标。研究可以检测一个人是否接触过铅、镉、砷、汞及其他毒素。
表观基因组学在精准医学中的未来
表观基因组学无疑是实现真正个性化医疗的关键。由于这些研究揭示了个体DNA行为的变化——而其DNA序列完全未变——它可以帮助解释为何癌症患者可能表现出相似的基因组变异，但治疗效果却截然不同。调控基因表达的机制可以发挥重要作用。
此外，如上所述，表观遗传技术可能大幅推动早期检测技术的发展。最终的回报将是常规血液检测，类似于用于评估心血管风险的检测，可确定患者患癌的可能性。
但其益处可能远不止于肿瘤学。表观基因组学可以识别多种疾病的生物标志物，追踪疾病进展和治疗效果，并揭示早期发育的新细节。在许多方面，表观基因组是基因组的"操作系统"，充分理解它将为数百万人带来健康益处。
