经典遗传学理论认为，DNA碱基序列作为遗传信息的载体可以将亲代性状遗传给子代。近年来,随着对染色质和组蛋白的深入研究，表观遗传学逐渐兴起。表观遗传是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，对基因表达进行各类修饰，引起基因的功能发生可遗传的改变。

表观遗传主要包括DNA修饰、组蛋白修饰和翻译后修饰（Post Translational Modifications, PTM）等，这些修饰使得DNA的空间结构或染色质的结构发生改变，导致基因沉默或过表达。研究发现，很多疾病都与表观遗传修饰相关，如DNA甲基化导致抑癌基因转录失活从而诱发癌症，同时，组蛋白的异常修饰也与肿瘤发生相关。所以，深入研究表观遗传的机制有助于我们寻找一些疾病的靶向标志物，并且为积极预防、诊断和治疗提供新思路。

DNA甲基化的研究主要基于PCR甲基化分析的方法，例如限制性内切酶法、重亚硫酸盐甲基化分析法等等。针对组蛋白的研究方法则主要是染色质免疫共沉淀技术（Chromatin ImmunoPrecipitation, ChIP），ChIP技术既可以研究反式作用因子与DNA的相互作用关系，也可以研究组蛋白修饰的作用（图1）。ChIP-seq技术是将ChIP技术和测序技术相结合，以达到全基因组范围内检测DNA组蛋白修饰的目的。

DNA甲基化修饰

生物体发生DNA水平表观遗传的主要方式是DNA甲基化修饰（图2）。DNA甲基化是DNA在DNA甲基转移酶（DNA Methyltransferase, DNMT）的催化下，以S-腺苷甲硫氨酸为供体，将甲基连接到CpG岛胞嘧啶5位碳原子上的过程，该过程通常会使该基因发生沉默。

与DNA甲基化相关的蛋白一般有三类：DNA甲基化的写入蛋白（Writers）、DNA甲基化的擦除蛋白（Erasers）和DNA甲基化的读取蛋白（Readers），这三类蛋白的主要功能分别为协助DNA发生甲基化修饰，消除DNA甲基化修饰，以及读取新甲基化形式并发生相应的辅助生理功能。

DNA甲基化的写入蛋白

DNA甲基化修饰是真核生物细胞基因表达调控的特点之一，DNA甲基化修饰是由DNA甲基转移酶催化完成的，目前哺乳动物中主要有DNMT1、DNMT2和DNMT3三类亚型。DNMT1、DNMT2和DNMT3会在很多肿瘤细胞中多表达，从而形成CpG岛的超甲基化，CpG岛的超甲基化通过破坏CTCF绝缘子蛋白的结合导致癌基因的激活。

DNMT1是第一个被克隆出来的DNA甲基转移酶，主要功能是在DNA复制和修复中维持DNA的甲基化。这种维持作用可以将DNA甲基化遗传信息传递给子代细胞。研究表明DNMT1的半胱氨酸富集区可以与未甲基化的CpG岛结合，行使其功能。DNMT2是一种tRNA甲基转移酶，有研究认为它也具有DNA甲基转移酶的作用。DNMT3A和DNMT3B结构基本相同，都含有N端可变区、半胱氨酸富集的锌结合域区和C端的催化活性区域。DNMT3L是一个调节蛋白，具有半胱氨酸富集的锌结合域，但是没有C端的催化活性区域，所以没有单独的催化活性。然而DNMT3L可以与DNMT3A和DNMT3B的C端结合从而发挥靶向和调控作用，以实现DNA甲基化的正向调节。

DNA甲基化的擦除蛋白

DNA去甲基化的流程，可以归纳为在DNA胞嘧啶的特定位点发生甲基化作用生成5 -甲基胞嘧啶（5mC）。5mC可被氧化成5 -羧甲基胞嘧啶（5hmC），继而进一步被修饰为5 -甲酰胞嘧啶（5fC）和5 -羧基胞嘧啶（5caC），这一过程依赖于10-11易位蛋白家族（Ten-Eleven Translocations, TETs）的催化作用。TETs蛋白家族一般包含TET1、TET2和TET3三种，它们在减数分裂、印记维持和干细胞重编程等领域中起着重要的作用。TET蛋白具有加氧酶结构域，在二价铁离子与酮戊二酸的作用下，能够将5mC氧化为5hmC并最终完成DNA的去甲基化。

与此同时，胸腺嘧啶DNA糖基化酶（TDG）在DNA去甲基化过程中扮演了重要的角色。TDG为视黄酸调控的启动子募集p300，从而保护CpG岛不被过度甲基化，此外TDG还是一些组织特异发育和激素调控的启动子以及增强子去甲基化所必须的酶。

DNA甲基化的读取蛋白

当DNA发生相应的甲基化后，DNA甲基化的读取蛋白会通过读取DNA甲基化的信息，发挥相应的生理功能。甲基CpG结合蛋白2（Methyl CpG binding Protein 2, MeCP2）、MBD1和MBD2/4是常见的读取蛋白，它们在读取DNA甲基化信息后会募集一些辅阻遏蛋白、组蛋白去乙酰化酶1(Histone Deacetylase,HDAC1)和HDAC2，以形成转录失活的染色体区域。

组蛋白修饰

核小体是由DNA和组蛋白组成的染色质基本结构单位（图3）。一般而言，组蛋白有H1，H2A，H2B，H3和H4五种类型，其中H2A、H2B、H3和H4称为核心组蛋白，H1称为连接组蛋白。研究表明对组蛋白的修饰参与了表观遗传过程，包括乙酰化、甲基化、ADP核糖基化、磷酸化和泛素化等多种修饰类型。组蛋白的修饰除了会影响组蛋白和DNA的结合从而改变染色质的结构外，还可以影响转录因子与DNA某些区域的结合而调控基因表达。

组蛋白的甲基化修饰

组蛋白的甲基化修饰是组蛋白表观遗传修饰最主要的方式，组蛋白的甲基化发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上。赖氨酸的甲基化依赖于赖氨酸甲基转移酶（Histone Lysine Methyltransferases, KMT）的催化，而精氨酸的甲基化依赖于精氨酸甲基转移酶(Protein-arginine Methyltransferases, PRMT) 。组蛋白发生甲基化后可以在组蛋白赖氨酸脱甲基酶（Lysine-specific histone demethylase, KDM）和组蛋白精氨酸脱氨酶（Peptidylargine Deminases, PADIs）的作用下去除甲基化修饰。研究表明，一般精氨酸甲基化与基因的激活相关，赖氨酸甲基化因发生甲基化的位置及数量的不同，引起基因表达或沉默。

常见的，H3组蛋白可以在赖氨酸的4、9、27、36和79号位置发生甲基化，在精氨酸的2、17和26号位置发生甲基化；H4组蛋白在精氨酸的3号位置发生甲基化，在赖氨酸的20号位置发生甲基化。组蛋白可以在同一个氨基酸位置上发生单甲基化、二甲基化和三甲基化，而甲基化修饰位置和数目则能够影响基因的转录激活或抑制。比如H3蛋白的9号赖氨酸三甲基化H3K9me3可以抑制基因的转录过程，而H3蛋白的4号赖氨酸三甲基化H3K4me3可以激活基因转录过程。

组蛋白的乙酰化修饰

组蛋白乙酰化是在组蛋白乙酰转移酶（Histone Acetyl-transferases, HAT）的作用下，可逆地在组蛋白的赖氨酸残基加上乙酰基。当组蛋白发生乙酰化时会中和一个正电荷，从而减弱了DNA与组蛋白的相互作用使染色质结构得以开放，转录蛋白得以进入染色质进而激活基因。乙酰化的赖氨酸残基还可以被溴结构域识别，产生结合点来募集调节蛋白。组蛋白去乙酰化是在组蛋白去乙酰化酶(Histone Deacetylase, HDAC)作用下去除乙酰基，让组蛋白重新带上正电荷，使其与带负电荷的DNA结合更加紧密。此时，转录元件便不易与DNA结合，进而导致基因转录过程受到抑制。组蛋白乙酰化和去乙酰化过程受到不同的蛋白复合物催化，其中在乙酰化过程起主要作用的是组蛋白乙酰转移酶HAT，此外还包括GNAT和MYST这两类已经被广泛研究的蛋白家族，以及p300/CBP和TAF1等。去乙酰化过程则由Sin3、NuRD、NcoR 和 SMRT等复合物，在HDAC的参与下，共同作用完成基因的转录抑制。

组蛋白的磷酸化修饰

组蛋白的丝氨酸、酪氨酸和苏氨酸残基会经常发生磷酸化修饰，磷酸化会中和组蛋白的正电荷从而破坏组蛋白和DNA的亲和力，使染色质结构不稳定,易于让转录因子结合激活基因。另外，磷酸化修饰会产生或屏蔽某些读取蛋白的结合位点，从而调节基因的转录过程。细胞中存在多种可以调节组蛋白磷酸化的磷酸激酶，如AMPK、PKC、MSK1、CK2、Aurora A和MSK1/2等。

组蛋白的其他修饰

组蛋白还有羟基化、腺苷酸化和泛素化等其他修饰类型，这些翻译后修饰发生在组蛋白的不同残基上，影响了染色体的结构和功能，调控了相关基因的表达。与泛素化相关的蛋白包括Ubc9/UBE21、RNF20/40和Ring1A/B等，可激活或者抑制基因的转录。