表观遗传学研究在不改变基础脱氧核糖核酸序列的情况下，建立并维持基因表达差异的机制。这些差异可以在一个细胞内持续存在，也可以传递给子细胞；在某些生物及特定条件下，还可以在世代之间传递。表观遗传调控有助于解释，拥有基本相同遗传信息的细胞如何形成不同的身份和功能。这一领域将遗传学、发育生物学以及染色质的分子组织方式联系起来；染色质是由DNA及其相关蛋白质组成的复合物。(nature.com)
起源与研究范围
康拉德·沃丁顿于1942年提出“表观遗传学”一词，用以描述将基因与生物体性状发育联系起来的过程。此后，其含义逐渐转向在不改变序列的情况下，使不同基因活性状态得以持续的机制。不同定义的侧重点有所差异：有些要求这些状态能够通过细胞分裂遗传，另一些则将不分裂细胞中的稳定调控状态也纳入其中，甚至更广泛地涵盖基于染色质的调控。因此，并非所有染色质化学修饰都必然体现了表观遗传。(nature.com)
表观基因组包含与特定细胞或生物学状态相关的表观遗传特征。与相对稳定的基因组不同，表观基因组在不同细胞类型之间存在显著差异，并会在发育过程中发生变化。表观基因组学在整个基因组的尺度上研究这些特征，而非仅关注单个基因。表观遗传差异不同于突变，不过，遗传变异可以影响表观遗传特征出现的位置及其维持方式。(genome.gov)
分子机制
DNA甲基化是将甲基添加到DNA碱基上的过程。在哺乳动物中，一种重要形式是在CpG位点修饰胞嘧啶；在这类位点中，胞嘧啶之后紧接着鸟嘌呤。甲基化可以影响调控蛋白的结合，并有助于维持基因沉默。其作用取决于所在的基因组环境：不能仅凭某一区域发生了甲基化，就将其解释为某个基因处于不活跃状态。(nature.com)
DNA缠绕在组蛋白这类蛋白质上，形成核小体。组蛋白会发生乙酰化、甲基化等化学修饰，从而影响染色质的性质或招募其他蛋白质。不同修饰具有不同作用。例如，H3K4三甲基化与活跃的启动子相关，而H3K27三甲基化则参与由Polycomb复合物介导的抑制过程。“组蛋白甲基化”和“组蛋白修饰”都不代表一种普遍适用的单一开关信号。(nature.com)
染色质相关蛋白常被分为添加修饰的“写入者”、识别修饰的“读取者”和去除修饰的“擦除者”。这些活动与染色质重塑及调控机制相互作用，影响DNA的可及性。非编码RNA也可以参与调控状态的建立或传递，包括引导染色质相关蛋白定位到特定基因组区域的机制。(nature.com)
细胞记忆与发育
表观遗传调控通过帮助稳定不同的基因活性模式，支持细胞分化。例如，肌肉细胞和神经细胞虽然拥有基本相同的基因组，却使用其中不同部分的遗传信息。维持这些模式需要持续运作的分子过程，而不是简单地在DNA上保留一层不变的包覆物。(genome.gov)
在DNA复制过程中，原先已甲基化的CpG位点最初会变成半甲基化状态：原有链带有甲基化修饰，而新合成的链没有。DNMT1这种酶在UHRF1及其他因子的协助下，恢复新链上的甲基化。这为调控信息通过细胞分裂传递提供了一种机制。同样，随着染色质的复制和组装，与组蛋白相关的状态也需要得到协调的维持或重建。(nature.com)
两个已得到充分证实的例子说明了表观遗传调控。在基因组印记中，某些基因的表达取决于其等位基因来自母亲还是父亲。在X染色体失活中，具有两条X染色体的细胞会使其中一条X染色体上的大多数基因处于转录失活状态，从而帮助调节基因剂量。这些过程不需要改变受影响基因的序列。(genome.gov)
世代之间的遗传
表观遗传状态在细胞谱系内的遗传，不同于其在生物个体之间的传递。哺乳动物在生殖细胞形成和胚胎早期发育过程中，会经历广泛的表观遗传重编程，使大部分继承的调控信息被重置。有些特征会受到保护或被重建，但某种状态能在常规细胞分裂中持续存在，并不能证明它可以通过生殖传递。(genome.gov)
跨代表观遗传是指表观遗传状态的传递超出了直接受到初始暴露影响的世代。如果一只怀孕的哺乳动物受到暴露，其胎儿以及胎儿体内正在发育的生殖细胞也可能同时受到暴露；因此，仅在孙代中观察到影响，并不足以证明存在跨代遗传。不同物种中的证据和机制各不相同，植物和某些无脊椎动物中的实例比哺乳动物更为丰富。人类研究必须将表观遗传传递与遗传差异、共同环境及其他亲代效应区分开来。(nature.com)
研究方法与结果解读
研究人员使用相互补充的方法来考察表观遗传特征。基于亚硫酸氢盐处理的DNA测序可以绘制胞嘧啶甲基化图谱，但常规亚硫酸氢盐测序无法区分5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基胞嘧啶。转座酶可及染色质测序利用测序接头优先插入暴露DNA的特性，识别可及的染色质。单细胞可及性测量能够揭示在大量细胞合并分析时可能被掩盖的差异。这些检测方法测量的是不同性质，不能相互替代。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
与基因活性相关的表观遗传特征，可能是该活性的原因、结果，也可能只是伴随特征。确立因果关系不能仅靠检测到相关性；功能实验，以及对遗传背景和细胞身份的关注，都十分重要。癌症中已有表观遗传异常的记录，包括调控生长的基因被不恰当地激活或沉默。这些发现证实了表观遗传的生物学意义，但仅凭观察到的表观遗传差异，无法确定导致某种疾病的机制。(nature.com)