Gun들지마의 Bioinformatics 생명정보학

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후성유전학 - Epigenetics

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후성유전학의 메커니즘

     후성유전학(後成遺傳學, 영어: epigenetics) 또는 후생유전학(後生遺傳學)은 DNA의 염기서열이 변화하지 않는 상태에서 이루어지는 유전자 발현의 조절인 후생유전적 유전자 발현 조절을 연구하는 유전학의 하위 학문이다^[1] . Epigenetics에 그리스어 접두사인 epi- 는 "~ 위에" 혹은 "~에 더하여" 라는 의미이며, 전통적인 유전학 기반에 더한 것이다^[2]. 후성유전학은 종종 유전자의 활동과 전사(expression)에 영향을 끼치는 염색체 (chromosome)의 변화를 일컫지만, 이와 더불어 프리온(prions)과 같이 유전체(genome)의 수정 없이 일어나는 상속가능한 표현형의 변화를 일컫기도 한다. 이러한 세포상(cellular)의 그리고 표현형(physiological phenotypic traits)의 인자는 외부의 혹은  주변환경(environmental)의 요소에 따라 결정지어지기도 하며, 일반적인 개체 발달상으로 프로그램 되어있기도 하다. 표준적인 후성유전학의 정의는 이러한 변화가 그 세포나 개체의 자손에 대를 이어 전해지는 (heritable) 것이어야 한다.^[3][4]

     이 용어는 또한 염기서열(nucleotide sequence)의 변화를 수반하지 않는 유전체의 기능 관련 변화 등의 변화 그 자체를 일컫기도 한다. 이러한 변화를 초래하는 매커니즘의 예로는 DNA 메틸화 (DNA methylation)와 히스톤 변경(histone modification) 등이 있고, 그 각각은 관련된 DNA 염기서열을 변화 시키치 않은 채로 유전자의 전사를 변화시킨다. 유전자의 발현은 DNA의 억제 유전자 (silencer) 부분에 위치한 억제 유전자(repressor proteins)의 활동에 따라 조절된다. 이러한 후성유전학적인 변화는  세포분열(cell divisions)을 거쳐 세포의 수명이 다할 때까지 지속되고 또한 개체의 DNA 염기서열 변화 없이 수 세대를 걸쳐서 지속되기도 한다^[5]. 대신에, 비유전적 요인들은 생물의 유전자를 다르게 행동하게 하는(또는 그들 스스로를 발현하도록) 원인이다^[6]. 
     진핵생물(eukaryotic) 내에서 후생유전학의 변화의 한 예는 세포 분화 과정(cellular differentiation)이다. 세포 형태 형성(morphogenesis) 동안에, 전분화 줄기세포 (totipotent stem cells)는 다양한 배아(embryo)의 만능세포주(pluripotent cell lines)가 된다. 그리고 그것은 결과적으로 완벽하게 분화된 세포가 된다. 다시 말해서, 하나의 수정된 난자세포, 즉 접합체(zygote),는 계속해서 분화하고, 그 결과 딸세포는 다른 유전자들의 발현을 억제하는 동안 일부 유전자를 활성화함으로써 신경(neurons), 근세포(muscle cells), 혈관(blood vessels)의 상피(epithelium)와 내피(endothelium) 등등을 포함하는 생명체 내에서 전혀 다른 유형의 세포로 분화된다.^[7]
     역사적으로, 자손에게 유전되지 않는 몇몇의 현상들이 후생유전으로 소개되기도 했다. 예를 들어, 후생유전이라는 단어는 염색체 부분의 모든 변형을 일컫는 데에 사용되었었다. 특히, 히스톤 변형은, 그것이 유전되는 것이든 표현형과 관련이 있든 아니든간에 말이다. 하지만 현재에 통용되는 정의는 이러한 특성들이 후손에게 유전되어야 후성유전학에 속하는 것으로 간주한다.^[4] 과학적인 용어의 이러한 잘못된 사용은 대중에게 잘못된 정보를 주거나 오해를 일으키기도 했다.^[8]

목차 - Contents

1 정의 - Definitions
     1.1 역사적 - Historical
     1.2 1940년대, 워딩턴의 커널화 - Waddington's canalisation, 1940s
     1.3 발생 심리학 - Developmental psychology
     1.4 현대 - Contemporary
     1.5 논란 - Controversy
2 분자학적인 기반 - Molecular basis
3 매커니즘 - Mechanisms
     3.1 공유 결합 변형 - Covalent modifications
     3.2 RNA 전사체 - RNA transcripts
     3.3 MicroRNAs
     3.4 mRNA
     3.5 sRNAs
     3.6 프리온 - Prions
     3.7 구조적 상속 - Structural inheritance
     3.8 뉴클레오솜 위치 - Nucleosome positioning
4 기능과 발생결과 - Functions and consequences
     4.1 발달상의 - Development
     4.2 세대 간의 - Transgenerational
5 박테리아의 후성유전 - Epigenetics in bacteria
6 의학 - Medicine
     6.1 쌍둥이 - Twins
     6.2 유전체 각인 - Genomic imprinting
     6.3 암 - Cancer
7 심리학 및 정신의학 - Psychology and psychiatry
     7.1 유아기의 스트레스 - Early life stress
     7.2 중독 - Addiction
     7.3 불안장애 - Anxiety
     7.4 우울증 - Depression
     7.5 공포 조건 - Fear conditioning
8 연구분야 - Research

1. 정의 - Definitions

     현재에 사용되는 후생유전학(epigenetics)이라는 용어는 1990년대에 등장하였다. 하지만 수년간 다소 다양한 의미로써 사용되었다.^[9] 후생유전학적인 형질 (epigenetic trait)의 일반적인 정의인 "DNA 염기서열의 변화 없이 염색체의 변형으로 유발되는 안정적으로 유전되는 표현형 (stably heritable phenotype resulting from changes in a chromosome without alterations in the DNA sequence)" 은 콜드스프링하버 학회에서 2008년에 정립되었다.^[4] 하지만 유전이 되지 않는 형질도 현재에 쓰이기도 한다.^[10]

1.1. 역사적 - Historical

     후성설(epigenesis)이라는 용어는 "추가적인 성장(extra growth)"의 의미를 가지고 있다. 이 영어적 표현은 17세기에서부터 쓰여졌다.^[11]

1.2 1940년대, 워딩턴의 커널화 - Waddington's canalisation, 1940s

     포괄적인 의미와 후성유전적인(epigenetic)이라는 형용사 형으로 1942년에 워딩턴(C. H. Waddington)이 후성유전학(epigenetics)이라는 단어를 후생유전발현(epigenesis)의 의미를 담아 발렌틴 해커(Valentin Haecker)의 형질유전학(phenogenetics)이라는 단어와 함께 처음 사용했다.^[12] 그 당시의 생물학의 맥락에서 후성설(Epigenesis)은 배아 발달과정에서 세포 초기의 전능(totipotent) 상태로 부터의 세포 분화과정을 일컬었다.^[13]

     워딩턴이 처음 그 단어를 사용하였을 때에는 유전자의 물리적인 특성과 유전에 관련된 역할은 밝혀지지 않은 상태였다. 그는 이 단어를 유전자가 표현형을 발현하기 위해 그 주변과 어떻게 상호작용하는 지 설명하는 개념적 모델로써 사용하였다. 또한 그는 "후성유전적인 형질(epigenetic landscape)"을 생물학적인 발달과정(biological development)에 비유적인 의미로 사용했다. 워딩턴은 발달 과정에서 세포의 운명이 결정되는 커널화(established in development (canalisation))가 마치 구슬이 낮은 고도의 지점으로 떨어지는 것과 매우 비슷하다고 주장했다.^[14]

     워딩턴은 구슬이 능선을 상승하여 골짜기 사이를 이동하는 것을 세포 분화의 비가역적인 증가로 시각화 했다.^[15] 최근에 후성유전학적인 지형에 대한 워딩턴의 개념은 시스템 역학적(systems dynamics)인 상태에서 접근하는 측면에서 공식화 되었다.^[16][17] 세포 운명의 결정은 어트랙터 수렴 (이 어트랙터는 평형이나 비성상적인 어트랙터(strange attractor)가 될 수도 있다.)이나 진동 등의 특정한 역학적인 패턴을 나타낼 것으로 예상된다.^[17]

1.3 발생 심리학 - Developmental psychology

     후성유전(epigenetic)이라는 용어는 발달 심리학(developmental psychology)에서도 또한 선천적인 유전과 환경 사이의 상호 작용의 결과로써 나타나는 심리적인 발달을 설명하는 데에도 사용된다.^[18] 상호작용론자들의 발달에 대한 개념은 19세기와 20세기에 걸쳐 다양한 형태와 이름으로 논의되어 왔다. 초기의 형태는 발생학(embryology)에서 기본적인 개념으로 칼 에른스트 폰(Karl Ernst von Baer)에 의해 제안되었고, 에른스트 헤켈(Ernst Haeckel)에 의해 대중화되었다. 극단적인 후성유전적인 관점 (심리학적인 후성설)은 폴 윈트레버트(Paul Wintrebert)에 의해 주창되었다. 또다른 변형인, 확률적인 후성발생설은 2003년에 길버트 고틀리에브(Gilbert Gottlieb)에 의해 주장되었다.^[19] 이 관점은 한 개체에 있어서 모든 가능한 발달인자를 아우르며 이러한 인자가 서로 혹은 개체에 영향을 미칠 뿐만 아니라 개체 자체도 또한 자신의 발달에 영향을 미치는 것이었다.

     발생심리학자인 에릭 에릭슨(Erik Erikson)은 그의 책인 Identity: Youth and Crisis (1968)에서 후성유전론을 설명하면서, 아직 결정되지 않은 상태에서 우리의 성격이 개발되고 우리의 환경과 주변 문화가,어떻게 이 상태에서 우리에게 영향을 주는지를 아우르는 개념으로 사용했다. 우리 주변의 사회 문화적인 환경과 관련하여 이러한 생물학적인 전개는 심리적인 발달 단계(stages of psychosocial development)에 따라 이루어 지며, "각각의 단계에 따른 이 발달은 모든 이전 단계에서의 우리의 성공 혹은 실패에 의해 부분적으로 결정된다 ("progress through each stage is in part determined by our success, or lack of success, in all the previous stages")고 하였다.^[20][21][22]

1.4 현대 - Contemporary

     로빈 할리데이(Robin Holliday)는 후성유전학(epigenetics)을 "복잡한 개체의 발달 과정에서의 시간적, 공간적 유전자 활동 조절의 메커니즘을 다루는 학문 (the study of the mechanisms of temporal and spatial control of gene activity during the development of complex organisms)"으로 정의했다.^[23] 그러므로 후성유전(epigenetic)은 한 개체의 발달에 영향을 끼치는 DNA염기서열을 제외한 어떤 것에도 쓰일 수 있다.

     과학에서 좀 더 최근에는 더 좁은 의미로 사용되고 있다. 바로, 아서 릭스(Arthur Riggs)와 그 동료들에 의해 정의된 "DNA 염기서열의 변화로 설명되어지지 않는 체세포와 감수 분열에서의 유전자 기능의 유전적인 변화에 대한 학문 (the study of mitotically and/or meiotically heritable changes in gene function that cannot be explained by changes in DNA sequence)"으로 정의 되었다.^[24]

     그러나 "후성유전학(epigenetics)"이라는 용어는 특정 형태의 히스톤 변형과 같이 유전되는 것이 증명되지 않은 현상에도 사용되어왔다. 따라서, 상속성을 요구하는 제약을 피하기 위해 넓은 의미의 용어로 재정의 하는 시도도 있었다. 예를 들어서, 에이드리안 버드(Adrian Bird)는 후성유전을 "상이한 활동 상태를 등록하고, 신호하며, 항구화하기 위한 염색체 특정 부위의 구조적인 적응 (the structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states)"으로 정의하였다.^[5] 이 정의는 This definition would be inclusive of transient modifications associated with DNA 수선(DNA repair)이나 세포주기(cell-cycle phases) 뿐만 아니라 수 세대에 걸쳐 유지 되는 변화와 관련된 일시적인 변형을 포함하지만, 세포막 구조의 템플레이팅과 프리온(prions)과 같은 현상은 염색체 기능에 영향을 미치지 않는 한 포함하지 않는다. 하지만 이러한 정의는 보편적으로 받아들여지지 않고, 여전히 논란이 되고 있다.^[3] 2016년 부터 시작한 미 국립보건원(NIH)의 "후성유전 로드맵 프로젝트(Roadmap Epigenomics Project)"는 다음의 정의를 사용한다: "이 프로그램의 목적 상, 후성유전은 유전자의 활동과 표현에 있어서 (개체 혹은 세포의 후대에) 유전되는 변화와 유전되지 않더라도 세포에서 잠재적인 전사로 되는 안정적이고 긴 기간의 변형을 모두 지칭한다 (For purposes of this program, epigenetics refers to both heritable changes in gene activity and expression (in the progeny of cells or of individuals) and also stable, long-term alterations in the transcriptional potential of a cell that are not necessarily heritable.)"^[10]

     2008년에는, 후성유전적인 형질의 공통적인 정의는 다음과 같이 콜드 스프링 하버 회의(Cold Spring Harbor meeting)에서 정해졌다: "DNA 염기서열의 변화 없이 염색체의 변형으로 유발되는 안정적으로 유전되는 표현형 (stably heritable phenotype resulting from changes in a chromosome without alterations in the DNA sequence)".^[4]

     이 단어와 유전학(genetics)과의 유사성은 다른 비슷한 용도로로 쓰여지고 있다. "후성유전체(epigenome)"은 "유전체(genome)"와 일맥상통하며, 한 세포의 전체적인 후성유전적인 상태를 지칭한다. 그리고 후성유전체학(epigenomics)은 유전체 전체에 걸친 후성유전적인 변화를 전체적으로 분석하는 것을 가르킨다.^[10] 코돈, 혹은 "유전코드(genetic code)도 또한 차용되어서 "후성유전코드(epigenetic code)"는 서로 다른 세포에서 다른 표현형을 만드는 후성유전적인 특징들을 설명하는데에 쓰인다. 더 나아가서, 이 "후성유전코드"는 유전체 특정 부분의 유전자 표현, DNA 메틸화, 히스톤 변형 등을 도식화하여 나타낸 후성유전체 지도(epigenetic map)에 기여하는 각각의 분자의 위치와 함께 세포의 전체적인 상태를 나타내기도 한다. 더 일반적으로는, 이 용어는 히스톤 코드(histone code) 혹은 DNA 메틸화 패턴(DNA methylation patterns) 과 같은 후성유전 정보의 특정하고 관련된 수치를 측정하는 체계적인 시도를 일컫는데 쓰인다..

1.5 논란 - Controversy

     과학적으로 초기단계로써의 후성유전학과 그에 대한 대중매체의 선정성(sensationalism)때문에, 데이비드 골스키(David Gorski)와 유전학자인 아담 루터포드(Adam Rutherford)는 사람의 유전자와 건강이 정신조종(mind control)으로 조작될 수 있다는 근거없는 주장을 하는 신세대(new age) 작가들에 의한 잘못되고 유사과학적인(pseudoscientific)결론을 조심해야한다고 경고했다.^[8][25]

2. 분자학적인 기반 - Molecular basis

     후성유전적인 변화는 특정한 유전자의 활성화를 바꾸지만, DNA의 유전 코드 염기서열은 바꾸지 않는다. DNA의 (염기서열이 아닌) 미세한 구조 자체나 그와 관련된 염색질(chromatin) 단백질이 수정되어, 그 유전자의 활성화 혹은 침묵화를 유도한다. 이 매커니즘은 다세포 생물의 분화된 세포들이 각각 그들의 활동에 필요한 유전자 만을 활성화 하도록 한다. 후성유전적인 변형은 세포가 분열할 때에도 유지된다. 대부분의 후성유전적인 변화는 한 개체의 수명 이내에서만 일어난다. 하지만, 이러한 변화는 세대간의 후성유전적인 종속(transgenerational epigenetic inheritance)에 의해 그 개체의 자손에게 물려받아질 수 있다. 게다가, 만약 유전자 비활성화가 수정되는 정자와 난자 세포에서 일어난다면, 이 후성유전적인 변화는 다음 세대로 전달 될 수 있는 것이다.^[26]

     특정한 후성유전적인 과정은 모의돌연변이(paramutation), 유전자 북마크(bookmarking), 유전자 각인(imprinting), 유전자 침묵(gene silencing), X 염색체 비활성화(X chromosome inactivation), 위치 효과(position effect), DNA 메틸화 재구성(DNA methylation reprogramming), 트랜스벡션(transvection), 모계영향유전(maternal effects), 발암(carcinogenesis) 과정, 기형발생 물질(teratogens)의 다양한 영향, 히스톤(histone) 변형과 이질염색질(heterochromatin)의 조절, 그리고 단위 생식(parthenogenesis)과 클로닝(cloning)에 영향을 미치는 기술적인한계 등을 포함한다.

     DNA 손상도 또한 후성유전적인 변화의 원인이 될 수 있다.^[27][28][29] DNA 손상은 아주 빈번하며, 인체의 세포당 하루에 평균적으로 60,000번 정도 일어난다 (자연적인 DNA 손상 참조 DNA damage (naturally occurring)). 이러한 손상은 대부분 고쳐지지만, 수리가 일어난 부분은 후성유전적인 변형이 남아있을 수 있다.^[30] 구체적으로, DNA의 이중 가닥이 모두 끊어지는 것은 DNA 메틸화와 히스톤 변형 중 비활성화 관련 부분을 자극하여 (염색질 리모델링 chromatin remodeling - 다음 섹션 참조) 돌연한 후성유전적인 유전자 비활성화를 유도할 수 있다.^[31] 더군다나, Parp1 (poly(ADP)-ribose polymerase)효소와 그 생성물인 poly(ADP)-ribose (PAR)가 DNA 손상 부분에 수리 과정 중에 축적될 수 있다.^[32] 이러한 축적은 차례로 뉴클레오솜(nucleosome) 리모델링을 유발하는 염색질 리모델링 단백질인 ALC1의 이끌어 활성화하는 것을 유도한다.^[33] 뉴클레오솜 리모델링은 예를 들어 DNA 수리 유전자인 MLH1의 후성유전적인 비활성화를 일으킨다고 발견되었다.^[24][34] 벤젠(benzene), 하이드로퀴논(hydroquinone), 스티렌(styrene), 사염화탄소(carbon tetrachloride), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene) 등과 같은 DNA 손상 유발 화학물질은 DNA에 중대한 탈메틸화(hypomethylation)를 유발할 수 있고, 어떤 물질은 산화적 스트레스 경로를 통해 그것을 유발하기도 한다.^[35]

     음식은 서로 다른 먹이를 준 쥐의 후성유전정보를 변화시키는 것으로 알려져있다.^[36] 어떠한 음식의 성분은 MGMT, MLH1^[37], p53^[38][39]와 같은 DNA 수선 효소들의 농도를 후성유전적으로 증가시킨다. 콩의 이소플라본(isoflavones)^[40][41]과 월귤나무의 안토시아닌(anthocyanins)과 같은 다른 음식 성분들은 DNA 손상을 줄이기도 한다.^[42]

     후성유전학 연구는 우리의 후성유전적인 현상에 대한 이해를 더 높이기 위해 염색질 면역 침전(chromatin immunoprecipitation) (이 기술의 변형인 ChIP-on-chip 및 ChIP-Seq와 더불어서), 형광 핵산 혼성화(fluorescent in situ hybridization), 메틸기 반응 제한효소(methylation-sensitive restriction enzymes), DNA 아데닌 메틸전달효소 확인(DNA adenine methyltransferase identification (DamID)) 그리고 중아황산염 시퀀싱(bisulfite sequencing) 등을 포함한 다양한 범위의 분자생물학 기술들을 사용한다. 이와 더불어, 생명정보학(bioinformatic) 기술의 사용은 더 많은 역할을 담당하고 있다(computational epigenetics).
     컴퓨터 시뮬레이션과 분자 역학적인 측면에서의 접근은 알로스터릭한 메커니즘(allosteric mechanism)을 통해 히스톤 꼬리부분을 분자 차원에서 인식하는 것과 관련된 원소 운동을 밝혀내었다.^[43]

3. 메커니즘 - Mechanisms

     다양한 종류의 후성유전학적인 상속 시스템이 세포 기억(cell memory)로 알려진 것으로 역할을 한다.^[44] 하지만, 아래의 모든 것들이 후성유전의 예시로 대중적으로 받아들여 지지는 않았다는 것을 명심하길 바란다.

3.1 공유 결합 변형 - Covalent modifications

     DNA에서의 공유결합(Covalent) 변경 (예. 사이토신 메틸화(cytosine methylation) 및 하이드록시 메틸화(hydroxymethylation)) 혹은 히스톤 단백질에서의 공유결합 변경 (예. 라이신 아세틸화(lysine acetylation), 라이신과 아르기닌의 메틸화(lysine and arginine methylation), 세린 및 트레오닌 인산화(serine and threonine phosphorylation), 그리고 라이신 유비퀴틴화 및 수모화(lysine ubiquitination and sumoylation)가 많은 종류의 후성유전학적 상속에서 중요한 역할을 한다. 따라서, "후성유전학"이라는 단어는 종종 위의 과정과 동의어로 사용되기도 한다. 그러나, 이것은 잘못된 것이다. 염색질 리모델링은 항상 유전되는 것은 아니며, 모든 후성유전적인 형질이 염색질 리모델링을 수반하는 것은 아니기 때문이다.^[45]

염색질을 형성하는 히스톤 단백질과 DNA

     DNA는 히스톤 단백질과 함께 염색질을 형성한다. 한 세포나 개체의 표현형(phenotype)은 어떠한 유전자가 전사되는 지에 따라 영향을 받기 때문에, 유전되는 전사상태(transcription states) 는 후성유전학적인 효과를 야기할 수 있다. 유전자 발현(gene expression)의 조절에는 여러 단계가 있다. 그 중 하나는 유전자가 염색질의 리모델링을 통해 조절되는 것이다. 염색질은 히스톤 단백질과 그에 연관된 DNA의 복합체이다. 만약 DNA가 히스톤을 감싸는 방식이 바뀌는 경우에, 유전자의 발현도 또한 바뀔 수 있다. 염색질 리모델링은 두 개의 주요 매커니즘에 의해 이루어진다:

     첫번째 방법은 히스톤 단백질을 만드는 아미노산의 전사 후 수정(post translational modification)이다. 히스톤 단백질은 긴 아미노산 체인으로 이루어져있다. 만약 이 체인에 있는 아미노산이 바뀐다면, 히스톤의 형태도 바뀔 수가 있다. DNA는 복제중에 완전히 풀려있지는 않다. 그러므로 수정된 히스톤이 새로 복제된 DNA에 같이 딸려들어가는 것이 가능하다. 그 후에, 그 히스톤은 주변의 새 히스톤이 새로 변경된 방법으로 형성되도록 템플릿의 역할을 하는 것이다. 자신 주변의 히스톤의 형태를 바꿈으로써, 이 변경된 히스톤들은 그 세대에 특징적인 단벽질 발현이 세포복제 후에도 유지되도록 한다.

     두번째 방법은 주로 CpG 부분(CpG sites)에 사이토신(cytosine)을 메틸사이토신(5-methylcytosine)으로 바꿔주도록 DNA에 메틸기를 붙이는 것이다. 메틸사이토신은 보통의 사이토신 처럼 이중나선 DNA에서 구아닌(guanine)과 짝을 이루지만, 유전체의 특정 부분은 다른 부분보다 더 메틸화가 되어있고, 정확한 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 그러한 부분은 유전자 발현이 덜 활동적이다. 사이토신의 메틸화는 부모의 생식세포에서 배아세포로 유지되어, 부모 한쪽이나 다른 쪽으로 부터 불려받은 염색체에 표시가 된다(genetic imprinting).

     히스톤 상태의 다름 세대로의 유전 매커니즘은 아직 잘 밝혀지지 않았다. 하지만, 세포분열과 분화 과정에서의 DNA 메틸화 상태의 유전 매커니즘은 많은 것이 알려져있다. 사이토신보다 메틸사이토신에 더 메틸화 상태의 DNMT1과 같은 유전자에 달려있다. 만약 이 효소가 반만 메틸화된("hemimethylated") DNA의 부분에 다다른다면 (메틸사이토신이 DNA이중 나선의 한쪽에만 있는 것을 의미), 이 효소는 다른 반쪽을 메틸화 시킬 것이다. 

     히스톤 변형이 염기서열 전체에 걸쳐서 일어나지는 않지만, 구조가 일정하지 않은 N극 부분의 히스톤 (히스톤 꼬리라고 한다)은 특별히 많이 변경된다. 이 변형 및 수정은 아세틸화(acetylation), 메틸화(methylation), 유비퀴틴화(ubiquitylation), 인산화(phosphorylation), 수모화(sumoylation), 라이보스화(ribosylation), 그리고 시트룰린화(citrullination) 등을 포함한다. 아세틸화는 이 중 가장 많이 연구되었다. 예를 들어, 히스톤 아세틸기 전달 효소 (histone acetyltransferase enzymes, HATs)에 의한 히스톤 H3의 꼬리에 있는 K14와 K9 라이신(lysines)의 아세틸화는 일반적으로 전사 유능성(transcriptional competence)과 관련이 있다.

     이것을 이해하는 방법 중 하나는 이러한 아세틸화의 경향이 "활발한" 전사와 관계있는 것이 자연적인 생물학적인 현상이라는 것이다. 라이신은 그 끝에 양전하를 띈 질소를 가지고 있기 때문에 DNA 뼈대의 음전하를 가진 인산염에 붙을 수 있다. 아세틸화 현상은 아미노산 잔기(곁사슬, side chain)에 위치한 이 양전하를 가진 아민(amine) 그룹을 중성 전하인 아미드 결합(amide linkage)으로 바꿔버린다. 이것은 양전하를 없애고, 그리하여 DNA를 히스톤에서 풀리게 한다. 이러한 현상이 일어날 때에, SWI/SNF와 같은 복합물과 다른 전사인자들(transcriptional factors)이 DNA에 붙어서 전사가 일어나게 한다. 이것을 후성생물학적인 기능의 "cis" 모델이라고 한다. 달리 말해, 히스톤 꼬리에의 변화는 DNA자체에 직접적인 영향을 주는 것이다.

     후성생물학적 기능의 또다른 모델은 "trans" 모델이다. 이 모델은, 히스톤 꼬리의 변화가 DNA에 간접적으로 영향을 미치는 것을 의미한다. 예를 들어서, 라이신 아세틸화는 염색질 수정 효소에 필요한 결합부위를 (혹은 전사 과정 자체 또한) 생성 할 수 있다. 이 염색질 리모델링 인자는 그리하여 염색질의 상태 변화를 유발한다. 즉, 브로모도메인(bromodomain, 아세틸기와 라이신이 결합하는 단백질의 위치)은 SWI/SNF 결합체를 포함한 전사 활성화를 도와주는 수많은 효소들에게서 발견된다. 아세틸화는 이것과 이전의 방법으로 전사 활성화를 도와주는 역할을 할 지도 모른다.

     변형이 관련된 인자의 결합 모듈의 역할을 수행한다는 이론은 히스톤 메틸화(histone methylation)에게서도 찾아볼 수 있다. 라이신9와 히스톤 H3는 본질적으로 전사가 되지 않는 염색질(constitutive heterochromatin)과 오래전 부터 관련지어져 왔다. 전사를 방해하는 단백질인 HP1의 크로모도메인(chromodomain, 메틸기와 라이신이 결합하는 부분)이 HP1를 K9의 메틸화 된 부분으로 이끈다고 알려져있다. 이러한 메틸화의 생물학적인 모델을 부인하는 것으로 보이는 하나의 예제는 라이신 4에 히스톤 H3의 삼중메틸화(tri-methylation)이 전사 활성화와 밀접한 관련이 있고, 완전한 전사를 위하여 필수적인 것이다. 이 때에 삼중 메틸화는 히스톤 꼬리에 고정된 양전하를 가져온다.

     히스톤 라이신 메틸기 전달 효소(histone lysine methyltransferase, KMT)는 히스톤 H3와 H4의 패턴에서 이러한 메틸화 활성을 담당하는 것으로 나타나있다. 이 효소는 SET domain(Suppressor of variegation, Enhancer of zeste, Trithorax)으로 불리는 촉매 반응으로 활성화되는 부위를 이용한다. 이 SET 도메인은 유전자 활동의 조절에 연관된 130개의 아미노산으로 이루어져있다. 이 도메인은 히스톤 꼬리에 붙어서 히스톤의 메틸화를 일으키는 것으로 밝혀져있다.^[46]

     상이한 히스톤 변형은 각기 다른 방식으로 기능할 가능성이있다; 한 위치에서의 아세틸 화는 다른 위치에서의 아세틸 화와 완전히 다르게 작용할 수있다. 또한, 동시에 여러 변형이 일어날 수 있으며, 이러한 변형은 세포질의 행동을 변화시키기 위해 함께 작용할 수 있다. 히스톤의 상태가 디지털 정보 운반체로서 선형적으로 판독 될 수 있다는 생각은 거의 틀렸음이 밝혀졌지만 크게 해명되었지만 많은 동적 변형이 체계적이고 재현성있는 방식으로 유전자 전사를 조절한다는 생각은 히스톤 코드(histone code)라고 불린다. 염색질 기반 침묵을 조정하는 가장 잘 이해 된 시스템 중 하나는 효모의 숨겨진 짝짓기 유형 유전자형인 HML과 HMR의 SIR 단백질(SIR protein) 기반 유전자 침묵이다.

     DNA 메틸화는 반복되는 시퀀스에서 자주 발생하며 '전이 요소(transposable elements)'의 발현 및 이동성을 억제하는 데 도움이 된다^[47] 5 메틸 시토신(5-methylcytosine)이 자발적으로 탈 아민 (산소가 질소를 대체) 하여 티미딘(thymidine)으로 바뀔 수 있기 때문에, CpG 부위는 자주 돌연변이 되어 메틸화 되지 않고 남아있는 CpG 섬(CpG islands)을 제외하고는 유전체에서 찾아보기 힘들다. 이러한 유형의 후성유전적 변화는 그러므로 영구적인 유전적 돌연변이의 빈도를 증가시킬 가능성이 있다. DNA 메틸화(DNA methylation) 패턴은 적어도 3개의 독립적인 DNA 메틸기 전이 효소(DNA methyltransferases)인 DNMT1, DNMT3A 및 DNMT3B의 복잡한 상호작용에 의해 환경적 요인에 반응하여 확립되고 변형되는 것으로 알려져 있으며, 쥐에서 이들 중 어느 것도 삭제는 치명적이다.^[48] DNMT1은 체세포에서 가장 풍부한 메틸기전이효소이며,^[49] 복제 관련에 국한되어 있고,^[50] 반메틸화 (hemimethylated)된 DNA에 대해 10배에서 40배의 선호도를 가지고 있으며, 증식하는 세포핵 항원(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)과 상호 작용한다.^[51]

      반메틸화된 (hemimethylated) DNA를 우선적으로 변형시킴으로써, DNMT1은 메틸화의 패턴을 DNA 복제(DNA replication) 후에 새로 합성된 가닥으로 전이 시키며, 따라서 종종 '유지' 메틸기 전이효소 ('maintenance' methyltransferase)로 지칭된다.^[52] DNMT1은 정상적인 배아 발달, 각인(imprinting) 및 X 염색체 불활성화 (X inactivation)에 필수적이다.^[48][53] 이러한 유전적 매커니즘과 전통적인 유전정보 전탈의 매커니즘인 Watson-Crick 염기 쌍의 차이를 강조하기 위해 '후성유전적 템플릿 (Epigenetic templating)'이라는 용어가 소개되기도 했다.^[54] 게다가, 메틸화된 DNA의 상태를 유지하고 전달하는 것과 더불어, 동일한 원리가 히스톤 변형 상태의 보존 및 전달, 그리고 심지어 (구조적인,structural) 세포질의 유전 상태도 적용될 수 있다.^[55]

      히스톤 H3와 H4도 또한 히스톤 라이신 탈메틸화효소 (histone lysine demethylase, KDM)를 이용해탈메틸화를 통해 조작할 수 있다. 이 최근 확인된 효소는 Jumonji domain (JmjC)으로 불리는 촉매 활성 부위를 가지고 있다. 탈메틸화는 JmjC가 메틸기를 수산화(hydroxylate)함으로써 제거할 때에 일어난다. JmjC는 단- 이중- 삼중-메틸화 기질을 탈메틸화 할 수 있다.^[56]

     염색체 지역 또한 DNA 서열의 변화없이 쌍안정의 (bistable) 유전자 발현을 가져오는 안정적이고 유전적인 대안 상태를 가져올 수 있다. 후성유전적인 조절은 종종 히스톤의 대안적인 공유결합 변경(covalent modifications)과 관련이 있다.^[57] 더 큰 염색체 지역의 상태에 관한 안정성과 유전가능성은 변형된 뉴클레오솜이 근처의 뉴클레오솜을 유사하게 변형시키는 효소를 가져오는 긍정적인 피드백 (positive feedback)을 포함하는 것으로 제안되었다.^[58] 이러한 유형의 후성유전에 대한 단순화된 확률론적인 모델은 여기에서 찾을 수 있다.^[59][60]

     염색질에 기초한 전사 조절은 small RNA의 효과에 의해 매개될 수 있다. Small interfering RNAs는 표적 프로모터(promoters)의 후성유전적인 조절을 통해 유전자 발현 및 전사를 조절할 수 있다.^[61]

3.2 RNA 전사체 - RNA transcripts

     때때로 한 유전자가 활성화 된 이 후에 (직접적 혹은 간접적으로) 유전자의 활성을 유지하는 전사체를 전사한다. 예를 들어, Hnf4와 MyoD는 코딩하는 단백질의 전사인자(transcription factor) 활성을 통해 자신을 포함한 간 및 근육 특정 유전자들을 증진한다. RNA 시그널링(RNA signalling)은 분화와 발달 중에 DNA 메틸기 전이 효소와 포괄적인 염색질 변형 복합체의 계층구조를 특정부분에 차별적으로 모집하는 것을 포함한다. ^[62] 또다른 후성유전적 변화는 RNA의 다른 스플라이스 형태(different splice forms)의 생산 혹은 이중가닥 RNA의 형성(RNAi)에 의해 매개된다. 세포의 자손들은 어떤 유전자가 활정화 되는지에 대한 이러한 활성을 유전자 활성화를 위한 원래의 자극이 더이상 존재하지 않더라도 물려받는다. 어떤 시스템에서는 다핵질(syncytia)이나 협간극 결합(gap junctions)이 중요하여, RNA가 직접 다른 세포들에게 확산(diffusion)을 통하여 전달될 수 있지만, 이러한 유전자는 주로 신호전달(signal transduction)에 의해 켜지거나 꺼지는 경우가 많다.

     많은 양의 RNA와 단백질이 난자형성(oogenesis)동안 모체에 의해 혹은 보육세포(nurse cells)에 의해 수정란에 기여하여, 모체효과 표현형(maternal effect phenotypes)을 초래한다. 아버지로부터는 작은양의 정자 RNA가 전달되지만, 이 후선유전 정보가 자손 여러 세대에서 눈에보이는 변화를 초래한다는 최근의 연구가 있다.^[63]

3.3 MicroRNAs

     MicroRNAs (miRNAs)는 크기가 17에서 25개까지의 염기로 이루어진 비코딩 RNA(non-coding RNAs)의 하나이다. miRNA는 식물과 동물에서 매우 다양한 생물학적 기능을 조절한다.^[64] 2013년 현재까지, 대략 2000개의 miRNA가 인간에게서 발견되었으며, 이들은 miRNA 데이터베이스에서 온라인으로 찾을 수 있다.^[65] 한 세포에서 발현되는 각각의 miRNA는 약 100개에서 200개의 messenger RNA를 표적으로해 하향조절(downregulate)할 수 있다.^[66] 대부분의 mRNA의 하향조절(downregulation)은 표적 mRNA의 붕괴를 유발시킴으로써 일어나는 반면에, 일부 하향조절은 단백질로의 번역 시에 일어나기도한다.^[67]

     약 60%의 인간 단백질 코딩 유전자가 miRNA에 의해 조절되는 것으로 보인다.^[68] 많은 miRNA는 후성유전적으로 조절된다. miRNA 유전자의 약 50%가 후성유전적 메틸화에의해 억제될 수 있는 CpG섬(CpG islands)과 관련되어 있다.^[64] 메틸화된 CpG섬으로부터의 전사는 유전적으로 강력하게 억제된다.^[69] 다른 miRNA들은 히스톤 변형이나 DNA 메틸화와 히스톤변형의 조합으로 후성유전적으로 조절되기도 한다.^[64]

3.4 mRNA

     2011년에 mRNA의 메틸화(methylation)가 인간의 에너지 항상성(energy homeostasis)에 치명적인 역할을 하는 것이 밝혀졌다. 비만관련 유전자인 FTO gene는 RNA의 N6-methyladenosine를 탈메틸화(demethylate) 할 수 있는 것으로 보여진다.^[70][71]

3.5 sRNAs

     sRNA는 50-250개의 염기로 작고, 고도로 구조화된 박테리아에서 발견되는 비코딩 RNA 조각이다. 이들은 병원체의 독성(virulence) 유전자들을 포함한 유전자 발현을 조절하고, 약물 내성 박테리아에 대항한 새로운 표적으로 여겨진다.^[72] sRNA는 많은 생물학적인 과정에 원핵생물에서 mRNA와 단백질에 결함함으로써 중요한 역할을 한다. 이들의 계통 발생 분석은, 예를 들어 sRNA-mRNA 표적 상호작용 혹은 단백질 결합 성질(binding properties)을 이용한, 포괄적인 데이터베이스 구축을 위해 사용된다.^[73] 미생물 유전체에서 그 표적에 기반한 sRNA-유전자 지도(sRNA-gene maps) 또한 제작되고 있다.^[74]

3.6 프리온 - Prions

     이 주제에 관한 더 자세한 사항은, 곰팡이 프리온(Fungal prions) 참조.

     프리온(Prions)은 전염성(infectious) 단백질(proteins)이다. 일반적으로, 단백질은 고유의 세포 기능을 수행하는 분리된 단위로 접히지만, 일부 단백질은 프리온으로 알려진 전염성 형태로 형성되어 접힐 수 있다. 감염성 질병(infectious disease)의 맥락으로 종종 보여지지만, 프리온은 동일한 단백질의 고유의 상태를 감염 가능 형태로 촉매적으로 전환시키는 능력으로 좀더 광범위하게 정의된다. 이러한 후자의 의미에서, 유전체의 변형없이 표현형의 변화를 일으킬 수 있다는 점에서 후성유전적인 인자로 볼 수 있는 것이다.^[75]

     곰팡이 프리온(Fungal prions)은 일부 학자들에 의해 후성유전적이라고 간주되는데, 이것은 이러한 프리온으로부터 유발되는 전염적인 표현형이 유전체 변형없이 유전될 수 있기 때문이다. 효모에서 각각 1965년과 1971년에 발견된 PSI+와 URE3은 이러한 유형의 프리온 중 가장 많이 연구된 두 종이다.^[76][77] 프리온은 응집체 내의 단백질 격리를 통해 표현형을 나타낼 수 있고, 그로인해 단백질의 활동을 감소시킨다. PSI+ 세포에서, (번역 종료에 관련한) Sup35 단백질의 손실은 리보솜에서 정지 코돈을 지나쳐 번역되는 속도를 증가시키며, 이러한 현상은 다른 유전자의 무의미한 돌연변이(nonsense mutations)를 억제하는 효과를 일으킨다.^[78] Sup35가 프리온을 형성하는 능력은 보존된 특성일 수 있다. 세포가 PSI+상태로 전환하는(switch into a PSI+ state)능력을 주고 정지코돈 돌연변이(stop codon mutation)에 의해 일반적으로 번역이 종결되는 휴면적인 유전적 특징을 나타냄으로써 적응적인 이점을 얻을 수 있다.^{[79][80][81][82]}

3.7 구조적 상속 - Structural inheritance

이 주제에 관한 더 자세한 사항은, 구조적 상속(Structural inheritance) 참조.

     Tetrahymena 및 Paramecium와 같은 섬모류(ciliates)에서 유전적으로 동일한 세포는 세포 표면의 섬모열 패턴에 유전적인 차이를 보인다. 실험적으로 변경된 패턴은 딸 세포로 전달될 수 있다. 이것은 기존의 구조가 새로운 구조의 틀로 작용한 것으로 모인다. 이러한 상속의 매커니즘은 불분명하지만, 다세포 개체가 새로운 세포를 만들 때에 기존의 세포 구조를 이용하여 조립한다고 가정하는 이유들이 있다.^[83][84][85]

3.8 뉴클레오솜 위치 - Nucleosome positioning

     진핵세포 유전체는 수많은 뉴클레오솜(nucleosomes)을 가지고 있다. 뉴클레오솜의 위치는 무작위가 아니며, 조절 단백질의 DNA에 대한 접근 가능성을 결정한다. 이것은 유전자 발현과 세포 분화의 차이를 결정한다. 전부는 아니지만 대부분의 히스톤이 프로타민(protamines)에 의해 대체되는 정자세포에서는 적어도 이 뉴클레오솜이 몇몇 유지 되는 것으로 나타났다. 따라서 뉴클레오솜의 위티는 어느정도 상속가능하다. 최근의 연구는 뉴클레오솜 위치와 다른 후성유전 인자들, 예를 들어 DNA 메틸화 및 수산화메틸화(hydroxymethylation)와 같은, 간의 관련성을 밝혀내었다

4. 기능과 발생결과 - Functions and consequences

4.1 발달 상의 - Development

     발달 상의 후성유전은 확정된 후성유전과 확률론적인 후성유전으로 나눌 수 있다. 확정된 후성유전 형성은 DNA에서 단백질의 기능적 성숙으로의 단방향 움직임이다. 여기서 "확정된(predetermined)"의 의미는 발달이 미리 프로그램되고 예측가능하다는 의미이다. 확률론적인 후성유전 형성은 반면에 경험과 외부형성 개발을 포함한 양방향 구조-기능 발달이다.^[87]

     특히 DNA 및 히스톤 공유결합 변형과 뉴클레오솜 재배치를 통한 체세포 후성유전 종속은 다세포 진핵 생물의 발달에 매우 중요하다.^[86] 유전체 염기서열은 (주목할만한 몇가지 예외를 포함하여) 정적이지만, 세포는 각기 다른 기능을 수행하고 환경과 세포 내 시그널에 대해 달리 반응하는 수많은 유형으로 분화한다. 따라서, 각 개체가 발달함에 따라, morphogens은 후성유전적인 방식으로 유전자를 활성화 혹은 비활성화 시켜 세포에 기억을 부여한다. 포유류에서, 대부분의 세포는 말초로(terminally) 분화되며, 오직 줄기세포(stem cells)만이 여러가지 세포 유형으로 분화되는 능력을 유지한다("전능성;totipotency"과 "분화능력;multipotency").  포유류(mammals)에서, 어떤 줄기 세포는 신경발생(neurogenesis)과 같이 평생동안 새로운 분화된 세포를 계속 생상하지만, 어떠한 조직은 손실에 반응하지 못한다. 예를 들어, 어떤 동물들은 가능하지만 팔다리를 재생할 수 없는 능력 등이다. 후성유전적인 변형은 신경 줄기세포에서 신경교 선조세포(glial progenitor cell)으로 바뀌는 과정을 조절한다 (예를 들어서 희돌기세포(oligodendrocytes)의 분화가 히트톤의 탈에틸화나 메틸화에 의해 조절되는 경우)^[88] 동물과는 달리, 식물세포는 말초적으로 분화하지 않고, 새로운 식물 개체를 생성할 수 있는 전능성을 유지한다. 식물이 동물과 같은 많은 후성유전 매커니즘 (세포질 리모델링; chromatin remodeling을 포함한)을 사용하지 않는 반면에, 어떤 유형의 식물 세포는 "세포기억"을 사용하거나 필요로 하지 않으며, 그들의 유전자 발현 패턴을 환경 및 주변 세포들에의 위치 정보를 이용하여 그 운명이 결정된다.^[89]

     후성유전적인 변화는 환경 노출에 의한 반응으로 발생할 수 있다. 예를 들어, 일부 식이 보조제가 쥐의 색, 체중, 암 발생 경향에 영향을 미치는 agouti 유전자(agouti gene)의 발현에 영향을 미치는 후성유전적인 변화를 만든다.^[90][91]

     논란이 되고있는 한 연구의 결과는 충격적인 경험이 미래의 세대에 전달될 수 있는 후성유전적인 신호를 생성할 수 있다고 제안한다. 발 충격을 사용하여 쥐가 벚꽃 냄새를 두려워하도록 훈련시켰다. 연구자들은 그 쥐의 후손이 특정한 냄새에 대한 혐오감을 증가시켰다고 보고했다.^[92][93] 그들은 벚꽃 냄새에 특별히 반응하는 코의 후각 수용체의 기능을 관장하는 M71 유전자에 DNA 자체보다 후성유전적인 변화로 유전자 발현이 증가한다고 제안했다. 훈련된 쥐와 그 후손의 뇌에서 후각 기능과 연관된 물리적인 변화가 훈련된 쥐의 뇌와 그 후손에게서 발견되었다. 이에 대한 몇몇 비판도 있는데, 연구 결과의 편향성 과 같은 불규칙 성의 증거를 포함한 그 연구의 낮은 통계학적인 방법이 문제 되었다.^[94] 표본 크기의 한계로 인해, 만약 그 효과가 존재하더라도 통계학적인 유의성 내에서 증명되지 않을 확률이 있고, 비판론자들은 또한 그 연구에서 주장된 효과가 있다고 가정하더라도 동일한 프로토콜을 따를 경우에 모든 실험 결과가 긍정적인 결과를 보일 확률은 0.4%에 불과하다고 주장했다. 또한, 그 연구의 저자들은 어느 쥐가 형제였는지 보고 하지 않고, 모든 쥐들을 통계적으로 독립된 것으로 취급했다.^[95] 원래의 연구자들은  논문의 부록에서 부정적인 결과가 계산에서 생략되었다고 지적했고, 앞으로 어떤 쥐들이 형제였는지 추적할 것으로 약속했다.^[96]

4.2 세대 간의 - Transgenerational

주요 토픽: 세대간 후성유전적인 종속(Transgenerational epigenetic inheritance)

      후성유전은 후성유전적인 변화가 다음 세대로 종속 될 때에 진화(evolution)에 영향을 줄 수 있다.^[9] 격리된 생식세포 라인 혹은 Weismann barrier는 동물에 특징적이며, 후성유전적인 종속은 식물과 미생물에 더 흔하다.Eva Jablonka, Marion J. Lamb 및 Étienne Danchin는 이러한 효과가 현대 합성(modern synthesis)의 표준적인 개념 틀에 대한 향상을 요구한다고 주장하며, 확장된 진화 합성(extended evolutionary synthesis)이 필요하다고 주장했다.^[97][98][99] 다른 진화생물 학자들은 후성유전적인 종속을 인구 유전학(population genetics) 모델에 포함 시켰으며, DNA 메틸화 및 히스톤 변형과 같은 후성유전적인 매커니즘은 자연선택(natural selection)에 의해 유전학 적으로 유전된다고 공개적으로 회의를 표했다.^{[100][101][102]}

     진화에 대한 중요한 결과를 가져올 수 있는 후성유전이 전통적인 유전적인 상속과 다른 두가지 중요한 방식은, 후성유전적 돌연변이(epimutation)의 속도가 일반 돌연변이의 속도보다 훨씬 더 빠를 수 있고,^[103] 또한 epimutation은 더 쉽게 되돌릴 수 있다는 것이다.^[104] 식물에서, 유전 가능한 DNA 메틸화 돌연변이는 DNA 돌연변이해 비해 100,000 배 더 많이 발생한다.^[105] An epigenetically inherited element such as the PSI+ 시스템과 같은 후성적으로 유전되는 요소는 한 계톡이 적응적인 표현형의 변화를 유전적으로 소화해낼 수 있는 (genetically assimilate) 돌연변이나 재조합에 충분히 오래 생존하게 하며 단기간의 적응에 충분한 "정지-간격, stop-gap"의 역할을 한다[106] 이러한 가능성의 존재는 한 종의 진화가능성(evolvability)을 증가시킨다.

     원핵생물, 식물, 동물들을 포함하여 광범위한 생물체에서 100가지 이상의 세대간 후성유전 상속(transgenerational epigenetic inheritance) 현상이 보고 되었다.^[107] 예를 들어, 신선나비(mourning cloak butterflies; Numphalis antiopa)는 다양한 온도의 실험에 대한 반응으로 호르몬 변화를 일으켜 색깔을 바꾼다.^[108]

     사상균인 Neurospora crassa는 시토신 메틸화(cytosine methylation)의 기능과 조절을 이해하기 위한 탁월한 모델 시스템이다. 이 개체에서, DNA 메틸화는 RIP (repeat-induced point mutation)이라 불리는 유전체 방어 시스템의 흔적과 관련이 있으며, 전사 연장 (transcription elongation)을 방해함으로써 유전자 발현을 막는다.^[109]

     효모 프리온(yeast prion)인 PSI는 번역 종결 인자(translation termination factor)의 구조적 변화에 의해 생성되며, 이것은 딸세포에게 종속된다. 이는 불리한 조건 하에서 생존적인 이점을 제공할 수 있다. 이것은 단세포 개체가 환경적인 스트레스에 급격히 반응하도록 가능하게 하는 후성유전적인 조절의 한 예이다. 프리온은 유전체의 변형없이 표현형의 변화를 유도하는 것이 가능한 후성유전적 인자로 볼 수 있다.^[110]

     미생물에서 후성유전적인 표식의 직접적인 검출은 단분자 실시간 시퀀싱(single molecule real time sequencing)으로 가능하며, 여기에 쓰이는 polymerase의 민감도는 DNA 분자가 시퀀스 될 때에 메틸화 및 다른 변형을 검출 할 수 있다.^[111] 몇몇 프로젝트는 박테리아에서 유전체 전체의 후성유전적인 데이터를 수집하는 능력을 입증하였다.^{[112][113][114][115]}