表观遗传学的历史与“表观发生”理论交织在一起，“表观发生”理论认为组织在发育或再生过程中由未分化的细胞重新形成。该理论最初于 1700 年代提出，融合了哲学和实验科学，提出生物体形成新结构需要一系列分化和形态发生步骤。具有一种身份的细胞可以完全转变为另一种东西的想法为现代再生生物学奠定了基础，并且通过分化细胞可以被诱导成多能干细胞的发现得到了最优雅的证明。类似的转变发生在后生过程中，为了响应组织损伤或切除，剩余细胞的分裂、生长和转变以取代缺失或损坏的细胞（图 1）。这种能力需要重新配置基因组，以便打开这些细胞获得新命运所必需的基因，并关闭那些限制这一过程的基因。表观遗传学是在发育和再生过程中如何实现这一点的本质。
表观遗传密码是组蛋白变体、组蛋白翻译后修饰 (hPTMs)、DNA 修饰、长非编码 RNA、染色质重塑剂和其他因素的复杂组合。这些标记的组合作用决定了染色质是“开放”的，因此易于与增强子、转录因子 (TFs) 和转录机制相互作用；还是“封闭”的，限制转录。紧密“闭合”的染色质构型，称为组成型异染色质，处在核纤层、核仁边缘和染色体的结构元件（例如着丝粒），而兼性异染色质可以动态改变或重塑。大多数脊椎动物基因组中近一半被转座元件（TEs）占据； 异染色质的一个主要功能是抑制这些基因组“寄生虫”，以减少它们活动所造成的威胁。所有这些元素的组合影响定义了表观基因组。
染色质重塑和建立肝细胞身份的先锋因子方面的工作有着悠久而丰富的历史，这让我们了解了许多关于细胞命运转变和先锋因子如何发挥作用的知识。此外，以表观遗传学为基石，人们正在更好地理解细胞可塑性在促进肝损伤恢复以及肝再生过程中控制基因表达的过程中的重要性。 在这里，我们回顾了肝脏发育和再生过程中基因调控和细胞命运决定的表观遗传基础。
在大多数情况下，受伤或截肢组织的再生依赖于表观发生，即干细胞和重新利用的分化细胞被重新编程以形成新的结构（box）。 然而，哺乳动物肝脏具有通过肝细胞增殖进行再生的独特能力，这种能力可能是由于肝脏在抵御毒素和其他导致细胞损伤的刺激的前线防御中发挥的重要作用而进化的（图 1）。 赋予再生缺陷器官令人难以置信的再生能力的希望为再生医学带来了巨大的希望。 鉴定肝脏再生中涉及的信号通路和细胞反应的令人兴奋的发现极大地推进了该领域的发展。关于肝再生表观遗传调控的研究相对较少；在这里，我们重点关注机制研究，这些研究揭示了静止肝脏中的染色质模式如何允许激活再生基因
再生的多种方法
在一些研究得最好的案例中，例如两栖动物和爬行动物的肢体再生，再生过程是外态的（epimorphic），因此，它概括了发育并遵循外生理论。 外态再生分为三个主要阶段：伤口愈合、组织修复和再生。 第一个对应于全部或部分伤口修复。 第二种涉及组织的位点特异性功能恢复，但没有有效的形态发生，如在心脏、肌肉、肝脏、肺和骨骼中观察到的那样。 第三个是复杂结构的完全再生和 3D 化，以便两栖动物、爬行动物和海洋无脊椎动物的四肢提供完整的功能。 在再生缺陷的动物（如哺乳动物）中，疤痕组织取代了受损的细胞。 这可以防止组织进一步损失，但也可以替代必需细胞，就像肝硬化的情况一样。 哺乳动物的肝脏是一个明显的例外。 肝脏能够在没有干细胞或芽基的情况下再生，其中肝脏的分化细胞可以增殖和/或肥大以恢复缺失或受损的肝脏质量（参见正文中的图1）。 在大多数与肝脏疾病相关的情况下，肝脏遭受慢性损伤，干细胞和分化细胞都可能有助于再生过程。 然而，在这两种情况下，参与细胞周期重入、组织特异性细胞分化和形态发生的基因都需要重要的、精确地时间和空间控制。 有大量证据表明表观遗传学在再生过程中协调这些基因表达模式中的作用。 然而，在疾病、癌症或衰老的情况下，这种再生表观遗传密码是如何设定、维持或调节的仍然不确定。
肝脏可以通过三种不同的过程再生（图 1）。 在哺乳动物中，三分之二的部分肝切除术（PH）或药物、毒素或感染造成的轻度损伤会引发再生反应，使分化的肝细胞生长（肥大）或重新进入细胞周期（过度增殖）。肝细胞从静止状态向增殖状态的转变伴随着数千个基因表达的变化。 这种动态转录谱确保细胞和组织重新增殖并维持谱系同一性，因此肝脏可以在生长时继续发挥作用。为了应对持续或严重损伤，肝细胞去分化有助于重新增殖（图 1）。 在肝衰竭或慢性损伤的情况下，肝细胞无法有效地重新进入细胞周期，健康肝脏中维持的肝祖细胞（LPCs）库会被触发扩张，然后分化以重建受损组织。这也可以通过 BECs转分化为 LPCs 来增强。 这种祖细胞介导的再生还需要高度受控的基因表达模式，这似乎是由染色质决定的。
为了确定在肝脏再生过程中改变其可及性的基因组区域，最近的一项研究在小鼠模型中使用了转座酶可及染色质测序分析（ATAC-seq），在该模型中，肝细胞在大规模肝细胞损伤后重新填充到肝脏中。 正如预期的那样，再生肝细胞增加了参与细胞生长和增殖的基因启动子的可接近性，以及参与 HNF4α 靶向的肝细胞功能基因的可接近性。 这项研究还发现了 CCCTC 结合因子 (CTCF) 是一种已知组织增强子和启动子之间相互作用的绝缘体，在再生肝脏中充当细胞增殖、细胞形态发生、应激反应和细胞死亡相关基因的共激活子和共抑制子。这不仅表明肝脏再生过程中发生区域变化以调节基因表达，而且表明3D基因组被重新配置以影响调节肝细胞特性和细胞分裂的重要基因的表达。
最近的其他研究发现了静息肝细胞基因上的抑制和激活表观遗传标记网络，这些标记对于设定其再生能力似乎很重要（图2）。SWI/SNF 复合因子Arid1a 在伤口愈合和 PH 后的肝脏再生过程中受到短暂抑制。 使用肝细胞特异性敲除 Arid1a 的小鼠证明了 Arid1a 缺失将允许再生基因表达的假设，这表明再生能力得到改善。这归因于染色质重塑减少了两个关键转录因子的结合：C/ebpα（诱导驱动分化的基因）和 E2f4（阻断促进细胞分裂的基因）。 另一项研究表明，Arid1a 有助于 YAP/TEAD 与促进肝细胞转化为肝祖样细胞 (LPLCs) 的基因的表观遗传调控。染色质重塑复合物单一成分的改变可以显著影响肝脏再生，这一发现可能有望通过操纵 Arid1a 或其他 SWI/SNF 成分来增强衰竭肝脏或其他组织的再生。
我们实验室的工作支持并扩展了肝细胞中的表观遗传密码决定其再生潜力的观点。 通过研究小鼠肝细胞中 Uhrf1 缺失引起的整体 DNA 低甲基化的后果，我们发现了一种意想不到的机制，H3K27me3 通过补偿 DNA 甲基化的缺失来抑制 TEs。 因此，H3K27me3 介导的对再生基因的抑制被放松，促进过早和持续的激活以及 PH 后再生过程中更快的细胞周期进入（图 3）。 我们推测，这可以通过重新利用 H3K27me3（通常用于抑制基因表达）来保护肝细胞免受 TE 激活的潜在破坏性影响。有趣的是，据报道，肝细胞中缺乏 Dnmt1 的小鼠具有完全不同的表型，其中印记基因和 TEs 被抑制，肝细胞显示 DNA 损伤并经历细胞衰老、凋亡和纤维化。 对不同表型的一种解释是，我们发现在没有Uhrf1 的情况下，基因组区域仍保持完全甲基化，这可能是通过不依赖 Uhrf1 的独立机制来实现甲基化。 这种残留的甲基化可能会抑制 Dnmt1 缺陷肝细胞中未受保护的基因组区域；或者，Uhrf1 丢失可能直接参与 H3K27me3 向 TEs 的重新分配。
组蛋白 PTMs 在再生过程中染色质景观的设定中发挥着至关重要的作用。 由于具有化学调节这些标记的能力，组蛋白乙酰化/脱乙酰化已成为肝再生过程中细胞增殖和细胞身份的关键调节剂。 在大鼠中，HAT 活性的两个峰值与 C-MYC 激活和 DNA 合成之前同时发生。在发育和再生过程中，HAT p300 与 C/EBP 形成复合物，激活诱导肝细胞定向并抑制细胞增殖的基因。HDAC 参与染色质浓缩，与染色质重塑剂形成阻遏复合物以阻断转录。PH 后，大量 HDAC 活性增加，组蛋白 H3K9ac 水平降低，通过药理学或遗传手段操纵 HDAC 活性会损害肝细胞增殖和肝再生。需要注意的是，HDAC 的广泛靶标库使得很难破译哪些靶标负责再生以及哪些靶标可以促进异常增殖和癌症。
最近对小鼠和斑马鱼的研究支持并扩展了乙酰化/脱乙酰化事件在肝再生中的关键作用。溴结构域和末端基序 (BET) 蛋白识别组蛋白尾部的乙酰化赖氨酸残基，并参与转录调节因子的募集。小鼠过量服用乙酰氨基酚或PH后给予 JQ1（溴结构域蛋白 BET 家族抑制剂）会显著损害肝细胞增殖，并减少 E2F2 靶基因和 Cyclin-D1 的激活。这是由于 BET 抑制剂阻断了 Brd4 占据超级增强子，从而减少了靶基因的转录。使用广谱 HDAC 抑制剂在 BEC 驱动的肝再生斑马鱼和小鼠模型中显示出类似的结果。在这些模型中，肝细胞增殖受到损害，BECs 产生祖细胞，这些祖细胞转分化为肝细胞以重新填充肝脏（图 1）。Hdac1 抑制剂处理损害肝脏再生，通过上调 Sox9b 阻止 LPCs 分化为肝细胞，并通过上调 Cdk8（Notch 信号传导的负调节基因）阻止 LPCs 分化为 BECs。 此外，Kdm1a （一种与 Hdac1 形成抑制复合物的赖氨酸脱甲基酶）活性的丧失会导致 LPC 衍生的分化肝细胞和 BECs 中出现相同的缺陷。 这些研究共同表明了HAT 和 HDAC 在肝再生中的重要性和保守作用。
