表观遗传现象（epigenetics）一般定义为DNA序列未发 生变化但基因功能发生了可遗传改变的现象，包括DNA甲 基化（DNA methylation） 及染色质重塑（Chromatin remodeling）等^{[1, 2]}。表观遗传流行病学是研究表观遗传现象 在人群中的分布及其与人类健康关系的学科^[3]，运用双生子 人群可区分遗传变异贡献大小，在控制基因结构变异和大部 分环境因素的条件下，分析背后表观遗传学变化机制^[4]。本 文综述双生子人群在表观遗传学研究中的优势，特别是不一 致同卵双生子（discordant monozygotic twins，DMZ）研究在 表观遗传流行病学中的价值与进展，以期为后续相关研究提 供思路。

1. 双生子人群在表观遗传学研究中的优势：

（1）可以证实表观遗传现象既与环境因素相关又与遗传 因素相关。遗传结构高度一致的同卵双生子（monozygotic twins，MZ）对内比较时，调控实验检测误差和随机误差后表 观遗传现象存在差异^{[5, 6]}，差异可能与环境暴露（特别是生 命早期暴露，例如母体孕期和胎儿生命早期的环境因素）相 关^{[7, 8]}。MZ 表观遗传现象的相关性明显高于异卵双生子 （dizygotic twins，DZ）的水平，说明遗传因素对表观遗传现象 也有影响^{[6, 9]}。

（2）可通过分析比较MZ对内表观遗传现象一致程度和 DZ对内一致程度，估计表观遗传现象变异中遗传或环境变 异的贡献大小。例如，将DNA甲基化水平作为结局表型，利 用双生子模型计算甲基化水平的遗传度。值得注意的是， DNA甲基化水平的遗传度可能是随时间变化的动态变量， 可结合纵向数据进行分析^[10]。有研究显示，DRD4 基因DNA 甲基化水平的遗传度在5 岁双生子人群是0.36，而在同一人 群10 岁时为0.06^[11]。家系研究同样可以计算表观遗传现象 的家族聚集性和遗传度，但其主要目的是验证表观遗传现象 可在亲代与子代间遗传，而双生子研究的主要目的是估计遗 传和环境变异对表观遗传现象变异的影响。

（3）双生子研究可以发现累积环境因素暴露可能与表观 遗传现象随时间的变化相关。Fraga 等^[12]对40 对MZ全基因 组DNA甲基化进行测定，发现不同年龄段甲基化水平存在 差异，且随着年龄增加，环境因素愈加复杂，MZ对内DNA甲 基化差异水平越高。双生子研究特别是MZ研究，在不同年 龄段均有一个高度匹配的个体与其同胞对进行比较，双生子 表观遗传现象对内差异可能是匹配去除年龄、基因结构等影 响后对内其他环境因素差异造成的，如果双生子表观遗传现 象的对内差异在不同年龄段之间有所不同，在控制其他环境 因素对内差异后，可表现为年龄（或时间）对表观遗传现象的 影响。而在一般人群不同年龄段的横断面研究中，需要控制 基因结构及其他环境因素等多种混杂因素才可了解年龄对 表观遗传现象的影响。队列研究可直接发现表观遗传现象 随时间的变化，但研究时间较长，花费人力物力较多。

（4）疾病不一致双生子研究（disease discordant twins）在 确定效应值强度和显著性水平条件下，用较少的样本量即可 发现与疾病相关的表观遗传现象变化。疾病不一致的双生 子研究可作为1 ∶ 1 匹配的病例对照研究与无匹配的病例对 照研究进行比较，假设单个DNA甲基化水平均值在对照组 为13%，疾病组为14%，标准差均为4%，显著性水平取0.05， 统计学效力为80%的情况下^{[13, 14]}，用SAS 9.2 计算样本量的 结果是无匹配病例对照研究需要样本量为病例组和对照组 均为506 人，而1 ∶ 1 匹配病例对照研究需要样本量在病例组 和对照组均为153 人，假设病例和对照对内相关性越高，需 要的样本量越少，当对内相关性达到0.9 时，病例和对照均为 28 人即可满足足够样本量。MZ对内相关性较高，因而需要 样本量较少^[15]。

（5）疾病DMZ研究由于基因、生活环境较为一致，可控 制更多未知混杂因素，简化分析过程，更易于解释。假设表 型（P）＝基因（G）＋环境（E）＋基因-环境交互作用（GEI），基 因-环境交互作用为表观遗传现象与其他GEI 的作用，那么 该公式可修订为P＝G＋E＋epigenetics＋其他GEI，疾病不 一致双生子可确定等式左边表型P 存在差异，等式右边基因 结构G相同，那么表型的变化很可能是环境、表观遗传现象 和/或其他GEI 作用变异造成的^[4]。实验研究因随机分组可 控制潜在混杂因素在实验组和对照组的分布，但目前实验研 究较少，样本量、观察时间受限，部分研究并不是随机对照试 验而具有一定局限性^[16]，而MZ研究可能是相对实验研究较 为经济、省时，可控制较多混杂因素的研究设计。

上述前三项双生子研究优势主要通过双生子模型拟合 估计表观遗传现象遗传度的方法实现，而后两项双生子研究 优势主要通过比较疾病或暴露表型DMZ的研究方法实现。 从疾病病因机制学角度的价值来看，表观遗传现象的遗传度 估计可能为寻找病因提供一定线索，而DMZ研究对寻找到 疾病相关的表观遗传现象及其与遗传、环境因素的关系应 用价值更大，其应用价值在于尽管基因结构很难改变，但可 以通过改变基因表达为疾病预防和控制提供思路。因此， 本文后半部分将对目前DMZ表观遗传学研究进展展开进一 步分析。

2. DMZ表观遗传学研究进展：DMZ研究设计应用在多 种疾病表型和表观遗传现象关系的研究中（表 1）。进行表观 遗传学研究的疾病主要为免疫系统疾病、心理疾病及代谢性 疾病，研究策略分为全基因组和候选基因策略，所用MZ样 本量均不到100 对。Bell和Spector^[15]关于疾病不一致双生子 的综述认为当用某种芯片测定DNA甲基化水平时，若需要 发现不一致双生子之间甲基化水平之比至少为1.2 的效应强 度，且要求统计效力达到80%以上，所需要疾病DMZ大约 15～25 对。但这种估计仅适用于芯片研究，并不适合亚硫酸 氢盐测序等方法。检测方法主要为表观遗传学相关芯片或 测序。从研究结果来看，同一疾病在不同样本组织中得到的 结果可能不同。基因结构在不同组织的细胞中基本相同，但 DNA甲基化却是组织特异性的^[17]。因此在利用便于获得的 标本（例如外周血标本）检测替代目标疾病相关组织DNA甲 基化检测时需要慎重。即使在使用外周血标本用于DNA甲 基化检测时，外周血中不同细胞种类（例如淋巴细胞、嗜碱性 粒细胞等）DNA甲基化情况也可能不同，DNA甲基化的改变 很可能是由于血液中细胞构成的变化（例如病毒感染状况下 淋巴细胞会增多）而并非细胞本身基因表达发生变化^[18]。

表 1 疾病表型DMZ研究例子

表选项

除了需要注意不同组织会影响研究结果之外，在开展 DMZ表观遗传学研究时还需要注意以下问题：①人群代表 性，研究发现的表观遗传现象差异位点有可能是双生子人群 特殊表达的位点，因此需要验证样本进行验证，最近Lancet 发表的一篇全基因组DNA 甲基化水平与BMI 的关联研究 就是用1 个双生子队列（MuTHER 队列）及3 个一般人群队 列（Cardiogenics、MARTHA及KORA队列）进行相互验证得 到的结果^[14]。②样本量和统计效力考虑，在涉及全基因组 表观遗传现象的研究中需要注意不同表观遗传相关位点之 间多重比较的问题，避免假阳性出现。而候选基因策略下 的表观遗传研究设计需要在假定效应强度下对样本量统计 效力进行估计，观察获得的样本量是否能达到可接受的统 计效力^[19]。③横断面研究的局限，某些暴露或结局表型可能 是暂时的（例如肥胖表型可能是暂时的），而表观遗传现象 也可能是暂时的，长期肥胖相关DNA甲基化水平可能与短 期肥胖不同^[27]。横断面研究结果需要在纵向研究中得到验 证。④病因推断考虑，在分析表观遗传现象与表型之间因 果关系时，需考虑效应修饰、未调控的混杂以及反向因果关 系等问题^[28]。

3. 总结与展望：双生子研究在表观遗传学中的应用有助 于认识表观遗传现象中遗传和环境所起到的作用，MZ基因 结构及部分环境因素高度匹配，利于寻找与疾病相关的表观 遗传现象^[29]。表观遗传现象的数据结合基因、转录、蛋白及 代谢相关数据，系统、全面分析某种疾病的发病机制是今后 发展的方向^{[30, 31]}。已有研究在双生子人群中分析基因结构 与表达之间的关系，使双生子研究成为识别和理解复杂疾病 表型背后分子机制的一个有力途径^{[32, 33]}。