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2017-03-01環境與基因間的非典型遺傳：為什麼會這樣？
567 期
Author 作者
許惇偉／牛津大學生物化學博士，專長為表觀遺傳學、分子生物化學。曾任職牛津大學，目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。
從分子生物學到表觀遺傳調節基因的表現
表觀遺傳學的研究在於，理解是什麼樣的機制可以在特定狀況下「標記」了某些基因而調節其表現，這種標記雖然不改變遺傳訊息，但可以讓這些標記伴隨著遺傳訊息傳遞到下一個子代，這些子代會因為這些標記而能適時地控制某些基因的表現狀況。
以荷蘭大饑荒的例子來說，那些在胚胎發育早期的胎兒，某些參與代謝的基因由於環境一時的營養缺乏，而提早或過量表現，雖然知道這些基因的序列沒有變異，但很明顯的這些基因在某些層面被標記某種訊號，因此不但終其一生這些基因表現量會與一般環境下成長的人不同，甚至下一個世代的個體，也會把這些被環境因素標記過的代謝基因記住，持續表現。而身體內是什麼樣的機制能夠這樣代代相傳？
要詳細了解這些標記的機制，可以先複習一下克里克（Francis Crick）的分子生物學中心法則（Central dogma of molecular biology）。克里克在1958年提出，既然已經知道基因的相 對應最終產物是蛋白質，且其結構是有特別意義的一組去氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）序列，而核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）似乎又與DNA有某種因果關係，因此他提出了分子生物學中心法則（圖一），做為生命現象遺傳法則的分子生物學基礎。
圖一：克里克提出的分子生物學中心法則。
此法則為遺傳物質DNA，在細胞內會精準地被複製，代代相傳；而一個蛋白質的產生，是某個基因專屬的DNA 片段被打開，接著啟動轉錄（transcription）機制將其上的DNA 序列轉變成RNA，最後這些RNA 上的序列才會再經過轉譯（translation），被很複雜的分子機器轉變為蛋白質。利用蛋白質的多樣性功能，能精確執行許多生物化學反應，而生物就是靠這一連串的化學反應而存在的。
從這個中心法則看來，假若某些基因表現出的蛋白質，是左右荷蘭大饑荒代謝異常的原因，那了解環境因子究竟在 不影響DNA序列的前提下，透過什麼樣的分子機制，調節某些代謝相關基因的轉錄以及轉譯，並且追蹤該機制的影響如何能保留到下一代細胞也同樣有這些代謝基因被表現，那就能解釋這種表觀遺傳現象。
經過數十年的研究，目前已經有3種分子機制可以解釋表 觀遺傳學的基因調控，以下簡述之。
影響基因轉錄調節的表觀遺傳機制——DNA 甲基化
表觀遺傳基因調控中，最早被明暸的是DNA 甲基化 （methylation）。這現象是指在許多真核生物中，某些 DNA序列中相鄰的核苷酸若是胞嘧啶（cytosine, C）與鳥嘌呤（guanine, G）這種組合，其中胞嘧啶可能會被DNA甲基化酵素接上一個甲基的化學官能基（-CH3）。 這個甲基的存在於雙螺旋結構外圍，胞嘧啶依然是可以與對應股的鳥嘌呤形成氫鍵配對，並不會影響DNA 雙股螺旋，但多這一個甲基，卻可能會直接或是間接影響某些蛋白質與DNA的結合，最後影響鄰近基因的轉錄。同樣的，也有另一組酵素，可以把這個甲基切下來，進而影響基因表現。
許多例子顯示，某些基因當其啟動子部位的DNA 被甲基化，會停止轉錄；一旦甲基化減少，轉錄作用就會啟動。 如圖二所示，若某部位的DNA 甲基化程度很高，通常位於此部位的基因會關閉不轉錄，反之亦然。因此若是環境因素影響了某些基因的甲基化程度，那這些基因的表現量就會受到影響。
圖二：3種影響基因表現的表觀遺傳調節機制。
值得一提的是，這些甲基化位置在DNA複製後，會透過特殊酵素在相對應新合成股的部位也做甲基化標記，所以這種修飾理論上可以代代相傳。……【更多內容請閱讀科學月刊第567期】