表观遗传学是近年来的研究热点，有望成为肿瘤、糖尿病、炎症、发育障碍、代谢性疾病、心血管疾病、自身免疫性疾病、疼痛、神经系统疾病的药物研发基石。

2018年表观遗传学市场将达120亿

根据PubMed表观遗传学的引文，在过去的十年里，伴随着科研经费的大幅增加，表观遗传学的科学出版物一年比一年增长40%。临床试验数据表明，有超过40种与不同表观遗传学相关的药物处在临床试验中。表观遗传学也可能影响动物、植物及环境的健康发展。

PerkinElmer 的人类健康业务总裁Jim Corbett指出，目前表观遗传学的研究受验证目标的数量与可行性以及临床前疾病模型所限制，表观遗传学研究还缺乏具体应用以及从实验室到临床的平移连续性。尽管如此，该领域还是具有很好的前景，根据北美及欧洲表观遗传学市场分析，表观遗传学市场将从2012年的29亿美元增长至2018年的120亿美元。

“我认为随着第二代表观遗传学抑制剂的发展、表观遗传检测的标准化以及临床前疾病模型的可行性发展，人类对表观遗传学靶向和机制的认识将会有提高”，Corbett说，“选择性基因编辑技术如CRISPR将可用于表观遗传学以及表观基因组的编辑，我预测未来有望制定患者的个性化表观遗传学剖面”。

计算机模拟：DNA是硬件，表观遗传学是软件

北卡罗纳州立大学表观遗传学教授Randy L. Jirtle将表观遗传学描述为一种生物软件。Jirtle博士说“胚胎包含了父亲和母亲的遗传信息，并最终分化为200-300种细胞类型。细胞被认为是一个可编程的电脑，DNA组成电脑的硬件，表观遗传学组成电脑的软件。在受精后不久，这台电脑就会告诉细胞该如何工作。和现实中的计算机一样，会存在病毒(细胞突变)使程序出错。”

2003年，Jirtle博士证明了子宫内表观遗传学修饰可能决定了成年疾病的易感性，当时这个概念并不受欢迎。“如果你认为生活是硬件，那么没有任何机制可以解释这种现象，但当你考虑到软件时，这就可以理解了”，Jirtle博士坚定地说。

此外，表观遗传学也可以带来积极的效果，例如通过刺激效应，低剂量毒剂或低水平辐射可战略性地改变机体后续的健康，如暴露于低水平电离辐射的小鼠可产生积极的适应效果。小鼠试验证明，暴露于1 cGy的辐射(相当于5X射线的辐射)可产生积极性的表观基因组甲基化，暴露的小鼠患肥胖、糖尿病及癌症的概率低于未暴露的小鼠，但更高剂量的辐射将产生负面的影响，此外将植物暴露在非常低剂量的除草剂中也出现类似的积极性表观遗传学效应。

Jirtle博士认为人类带有基因指令特征印记，基因的调控元件和印记组学( imprintome)将指导表观基因组疗法。基因组印记(Genomic imprinting)，又称遗传印记，是指基因的表达与否取决于它们是在父源染色体上还是在母源染色体上，以及父源染色体或母源染色体上的基因是否没有发生沉默，从而表达出来;是通过生化途径，在一个基因或基因组域上标记其双亲来源信息的生物学过程。有些印记基因只从母源染色体上表达，而有些则只从父源染色体上表达。印记的基因只占人类基因组中的少数，可能不超过5%，但在胎儿的生长和行为发育中起着至关重要的作用。基因组印记病主要表现为过度生长、生长迟缓、智力障碍、行为异常。目前在肿瘤的研究中认为印记缺失是引起肿瘤最常见的遗传学因素之一。

实现的障碍

异常的DNA甲基化与癌症之间的关联已被确定，Zymo Research表观遗传服务项目经理Keith Booher博士认为修改甲基化模式可使其复位，本质上讲注定癌变的细胞也可恢复到正常状态。但要实现这些，面临着很大的障碍，例如让药物进入细胞特别是固体肿瘤并不容易。Booher博士说，“DNA甲基化抑制剂已被证明对血液肿瘤有效。”另一个障碍是耐药性，这几乎是所有肿瘤药物的障碍。改变DNA转甲基酶活性的药物将对正常及非正常的细胞有广泛的作用。“正常细胞显示低或高的甲基化水平，DNA甲基化倾向于限制基因的表达，因此人们都想关闭这些基因。基因组甲基化在不同的发展阶段有所不同，但在成年细胞或发育中的血细胞，人们希望甲基化模式的变化有一定的规则，然而对病变细胞的控制是很难的”，Booher博士解释道。

然而，甲基化抑制剂与DNA相互作用本身就是有害的，最初的表观遗传学药物以化疗药物进行测试，但毒理性很强。只有在更好地了解甲基化和致癌作用之间的关系后，使用低剂量的表观遗传学药物才成为可能。

诊断的相关性

表观遗传学研究的一个重要进展是利用下一代测序获得全面的、每个碱基的甲基化状态。测序成本的降低使得利用全基因组重亚硫酸盐测序和目标甲基化富集的杂交捕获成为可能。Swift Biosciences的研发主管Laurie Kurihara表示，最初这些技术是为了重亚硫酸氢转换(一种化学过程，将非甲基化胞嘧啶转变为尿嘧啶)之后NGS文库构建时输入微量的基因组DNA，随后可用PCR程序将尿嘧啶转化为胸腺嘧啶。“但甲基化的胞嘧啶受到了保护，因此DNA测序时区分甲基化状态是必要的，然而重硫酸盐诱导DNA断裂破坏了大部分的NGS文库，因此需要输入微量的DNA。”

为了降低DNA的输入量和提高甲基化组的覆盖率和均匀性，Swift Biosciences公司开发了一个用于DNA片段重硫酸盐转化的NGS文库。“通过显著提高重硫酸处理后DNA的复苏，临床样本的更多分析成为可能。” Kurihara博士引用了香港中文大学病理学教授Dennis Lo博士的例子，Lo博士开发了依赖于病人血浆游离DNA全基因组甲基化检测的无创癌症检测技术。虽然这种“液态活检”并没有发现可操作的癌症突变，但可被证明是一种癌症早期检测和治疗监测的敏感技术。

Lo博士近期通过利用全基因组重亚硫酸盐测序来绘制血浆游离DNA的组织来源，这种非侵入性的血液检测有望揭示组织或器官的特定病理学，包括癌症、中风、心肌梗死、自身免疫性疾病和移植排斥反应。

NGS：一种可行的技术

NGS 的广泛应用意味着科学家可以检测大量的癌症基因组序列。到目前为止，研究表明大部分的癌症基因突变被归为表观遗传修饰。西北大学费因伯格医学院生物化学和分子遗传学系主任Ali Shilatifard博士说，“染色质重塑和修饰因子参与了基因表达调控，到目前为止，在大多数癌症中DNA甲基化是高度变异的。”Shilatifard博士相信在未来的几年里，学术界和制药企业将越来越依赖于表观遗传学。

最近的一项研究表明，大约75%的弥漫性内在脑桥胶质瘤(DIPG)患者携带组蛋白H3单点突变，将赖氨酸27转变为蛋氨酸，这些患者体内出现了大量组蛋白H3拷贝数，然而只要一个拷贝数中出现突变就足以引起DIPG。通过在果蝇中修改这种突变，Shilatifard博士团队发现组蛋白中的一组单点突变与组蛋白甲基化缺失和组蛋白超乙酰化增加有关。Shilatifard博士说，“表观遗传调控将是治疗这种疾病的关键，许多文献表明，抑制表观遗传调控和相互作用对癌症的治疗相当重要，通过抑制超乙酰化组蛋白结合因子可对DIPG的治疗有帮助。