YACOO: 化学世界的10大未解之谜：环境如何影响人类基因？

        以前的生物学观点认为，你体内的基因决定了你是谁。现在，另一个事实已经清晰地摆在我们面前：在“你是谁”这个问题上，你使用了哪些基因，与你携带了哪些基因同样重要。跟所有的生物学问题一样，这个问题的核心依旧是化学问题。
早期胚胎中，细胞可以发育成各种类型的组织。但随着胚胎发育，所谓的“多能干细胞”（pluripotent stem cell）则会发生分化，朝着不同的方向发展（例如血细胞、肌肉细胞或皮肤细胞）。这样，它们后代的“角色”就被固定下来。人体的形成，是 干细胞中的染色体受到化学修饰，基因表达按特定规则“开启”和“关闭”的结果。
       但是，上述化学修饰是可逆的，而且会受到人体环境的影响，这是克隆和干细胞研究领域的一项颠覆性发现。在干细胞的分化期，细胞不能永久地关闭某一基因，而只能是将它们需要的基因维持在一种“准备”状态。也就是说，被关闭的基因也有参与工作的潜力（即合成它们所编码的蛋白质），当它们遇到周围环境中特定化学物质时，这种潜力就可以激活。
       对化学家而言，最让人兴奋、也最具挑战性的是，基因表达的调控似乎涉及一些化学事件。这些事件发生在“中尺度”（mesoscale）水平上，主角是比原子和分子更大的分子复合体，涉及复合体之间的相互作用。染色质（chromatin）是由DNA和蛋白质组成的复合物，具有一种层级结构。DNA双螺旋缠绕在一个个圆柱形的、由组蛋白（histones）构成的蛋白颗粒上，然后这些蛋白颗粒会聚集起来，形成更高级的结构。目前我们对这种结构还知之不多。细胞活动极好地控制了这种组装过程——一个基因以何种方式，被定位到染色质的哪个位置，也许就决定了它能否正常表达。
        细胞里，有些酶专门用于重塑染色质结构，它们在细胞分化过程中起着核心作用。胚胎干细胞中，染色质的结构看上去更松散、开放性更高，但随着一些基因进入“沉默”状态，染色质会变得更加紧凑、有序。“染色质似乎可以决定并维持（或者说稳定）细胞的状态，”美国麻省总医院的病理学家布拉德利·伯恩斯坦（Bradley Bernstein）说。
        此外，染色质在形成高级结构的过程中，DNA和组蛋白还会发生化学修饰。一些小分子会结合到DNA和组蛋白上，就像标签一样，告诉细胞里的分子机器该对基因采取何种措施：应该阻止还是放任基因的表达。这种“标记过程”叫做“表观遗传”（epigenetic）现象，因为该过程不会改变基因携带的遗传信息。
       至于成熟细胞能在多大程度上重获分化能力（不管它们能否变得像真正的干细胞那样，在再生医学中，诱导性干细胞的使用都是一个非常重要的问题），这在很大程度上取决于在表观遗传标记的重置上，科学家能走多远。
        现在比较清楚的是，在遗传上，除了遗传密码里的关键信息，细胞还有一套完全不同的“化学语言”——这就是表观遗传。英国伯明翰大学的遗传学家布莱恩·特纳（Bryan Turner）说：“人类的很多疾病都与遗传相关，包括癌症在内，但是一种潜在的疾病最终是否发作，通常还要看环境因素能否通过表观遗传的方式起作用。”
来源: 环球科学-科学美国人中文版(北京)