从章鱼到大象：表观遗传学的分子动物园

我们的基因编码在基因组的DNA序列中，这在我们身体的不同细胞类型中高度相似。然而，每个细胞只能访问那些处于表观遗传允许状态的基因。因此，表观基因组为基因提供了一种分子访问控制的形式——表观遗传“软件”，保护我们的遗传“硬件”免受错误细胞的激活。

这一层调节控制对于由数百种不同细胞类型组成的复杂生物体的发育至关重要。此外，表观遗传调控通过保护基因组的关键区域免受意外激活，有助于降低患癌症的风险。

DNA甲基化是最著名，也可以说是最重要的表观遗传机制。甲基(CH3)标记那些要紧密包装并防止错误激活的DNA部分。DNA甲基化在我们的一生中有许多作用 - 从受精卵到成年生物体，癌症等疾病和我们身体的生物衰老。

生物信息学家和基因组研究员Christoph Bock是CeMM的首席研究员和维也纳医科大学的教授，他解释说：“DNA甲基化为细胞提供了表观遗传记忆，确保肝细胞始终保持肝细胞，心脏细胞始终保持心脏细胞 - 即使我们体内的所有细胞都配备了相同的基因。

首次对500多种动物物种进行表观遗传图谱

DNA甲基化仅在哺乳动物中得到了很好的研究，尤其是在小鼠和人类中。在长达十年的努力中，填补了我们对表观遗传学理解的关键空白，来自CeMM的博克研究小组的科学家现在已经绘制并分析了580种不同动物物种的DNA甲基化图谱。

他们的研究发表在《自然通讯》杂志上。

该研究的主要作者Johanna Klughammer和Daria Romanovskaia以及Amelie Nemc处理和分析了总共2，443个动物组织样本。其中许多样本来自维也纳兽医大学的野生动物病理学部门和波士顿的海洋基因组遗产中心。

此外，在维也纳的Naschmarkt购买了海鲜标本，一些合作者提供了其他动物物种的样本，包括骆驼和蝾螈。“我们确保从尽可能多的物种中获得心脏和肝脏，以促进跨物种比较。还有肺，鳃，肾脏，大脑等等，“作者解释说。

DNA甲基化比以前认为的更根深蒂固

这些数据表明，动物体内的DNA甲基化在5亿年前遵循与今天非常相似的原理。Daria Romanovskaia解释说：“我们研究了哺乳动物，鸟类，爬行动物，两栖动物，鱼类和无脊椎动物中DNA甲基化与潜在遗传DNA序列之间的关系。模式非常相似。例如，我们能够使用我们为章鱼创建的模型预测大象基因组中DNA甲基化的分布。因此，这些表观遗传模式很可能存在于这些动物的最后一个共同祖先中，很久以前。

因此，DNA甲基化的基本原理似乎是高度保守的，从而能够深入了解脊椎动物的进化历史。然而，这并不意味着DNA甲基化在数百万年中保持不变。Christoph Bock解释说：“表观遗传学的遗传密码在脊椎动物中看起来比在无脊椎动物中更清晰，更具规范性，尽管潜在的模式是相似的。随着爬行动物、鸟类和哺乳动物的出现，DNA甲基化的遗传决定因素变得更加明显。似乎包括人类在内的复杂动物特别依赖于通过DNA甲基化对基因组的表观遗传保护。

进化适应复杂的身体和环境条件?

从理论上讲，寿命长的大型动物患癌症的风险应该更高，因为它们的身体由更多的细胞组成，这些细胞有更多的时间发育成癌细胞。然而，大象并不比老鼠或鳟鱼更容易患癌症。科学家将此称为佩托悖论。最合理的解释是，寿命长的大型动物已经进化出特殊的机制，大大降低了它们的癌症风险。

目前研究的结果表明，DNA甲基化构成了这种癌症保护机制。较高的癌症理论风险通常与较高的DNA甲基化水平有关。这种相关性在鸟类中尤为明显。大多数鸟类患癌症的风险很低，即使是鹰和企鹅等寿命长的大型鸟类。因此，大型和长寿鸟类中较高的DNA甲基化水平可能有助于保护它们免受癌症的侵害。

分析进化过程中DNA甲基化的新方法

总体而言，这项研究提供了迄今为止在其进化背景下最全面的表观遗传学分析。它还建立了研究不同动物物种DNA甲基化的新方法。对于许多物种来说，还没有高质量的基因组可用，这就是为什么该团队开发并优化了一种独立于任何参考基因组分析DNA甲基化的方法。

Johanna Klughammer现在是慕尼黑路德维希马克西米利安大学基因中心的教授，她解释说：“我们的新方法使我们能够探索遗传学和表观遗传学在所有那些难以进行表观遗传学分析的动物物种中的相互作用。希望这种进化和比较分析能够更好地理解人类、癌症等疾病和健康老龄化的表观遗传学。

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