J18世纪的诗人和哲学家歌德认为，生活与原型或模式紧密相连，这些原型或模式指导着生活的发展。然而，他却着迷于生命是如何同时具有可塑性的。一天,独自冥想着一片树叶,诗人有你可能称之为proto-evolutionary想:植物没有创建“然后锁在给定的形式”,但不是一直,他后来写道,“恰当的流动性和可塑性,允许他们成长和适应许多不同的条件在许多不同的地方。”20世纪初，对基因遗传原理的重新发现表明，有机体不能通过与环境的相互作用来学习或获得可遗传的特征，但他们还没有解释生命是如何经历这种变形技巧的——这种可塑性令歌德着迷。
一位博学的先驱英国生物学家提出了这样一种机制，即生物如何适应环境，从而颠覆了进化生物学的早期领域。因此，康拉德·哈尔·沃丁顿被公认为最后一位文艺复兴时期的生物学家。这在很大程度上与他的“表观遗传景观”理论有关。这一理论是他在1940年提出的一个比喻，用来说明有机体如何调节它们的哪些基因在环境线索或压力下得到表达，从而引导它们沿着不同的发展路径发展。事实证明，他发现了一些东西:就在这个词诞生的几年之后，人们发现甲基(一种由碳和氢组成的小分子)可以附着在DNA或承载DNA的蛋白质上，并改变基因的表达。改变基因表达方式可能会产生严重后果:我们身体中的每个细胞都有相同的基因，但外观和功能不同，这只是由于控制基因何时和如何启动的表观遗传学。2002年，一位发展生物学家怀疑沃丁顿的挑衅性观点是否与理解当今生物学问题有关。
事实上，他们是。15年过去了，约翰霍普金斯大学的一组研究人员受到沃丁顿的“表观遗传学景观”的启发，最近提出了一种观察表观遗传学的强有力的新方法。该研究小组的成员、约翰霍普金斯医学院(John Hopkins School of Medicine)表观遗传学中心(Center for Epigenetics)主任安德鲁·范伯格(Andrew Feinberg)说，该团队的研究结果“可能对我们如何治疗癌症和其他与衰老相关的疾病具有重大意义”。他们的方法，详细在自然研究这门学科主要研究信息的储存和传播。通过计算DNA甲基化在人类基因组不同区域的变化倾向，他们实际上可以将细胞的甲基化景观理解为一种沟通系统。
大自然比我们以前想象的要复杂得多。
DNA甲基化在细胞的整个生命周期中都会发生变化。考虑到干细胞是可可塑性的，对改变其信号模式(基因表达)具有高度的适应性，但很快就会变成具有忠实的信号模式并以可靠的方式传递信息的分化成体细胞。甚至成体细胞也有一定程度的随机变异或随机波动。但这种变异并不仅仅是噪音，而是一个显示出它仍然年轻和适应能力的细胞——它使免疫细胞快速改变以应对环境的损害，使脑细胞形成新的连接，或使细胞关闭基因以修复它们。衰老的细胞开始摇摇晃晃地进入不确定状态，在这种状态下，它们不再能够可靠地保存DNA甲基化信息。由于“量化不确定性形成了信息理论的基础，我们认为将信息理论应用于表观遗传数据是一件很自然的事情，”Feinberg说，他和霍普金斯大学的同事John Goutsias是这篇论文的资深作者。
他们分析了35种细胞的整个基因组的DNA甲基化。这为细胞类型的基因组中DNA甲基化如何发生变化绘制了一幅大图，因为这些细胞从干细胞发展为更明确的谱系。在计算上，癌细胞的甲基化模式与健康的成年细胞相差甚远，研究人员对此并不感到惊讶。他们惊讶地发现，在计算上，癌细胞与干细胞相差甚远，这一发现挑战了传统的观点，即癌细胞会恢复到与干细胞相似的分子状态。
“对我们来说，这确实是一个令人震惊的发现，”该论文的第一作者加勒特·詹金森(Garret Jenkinson)说，他现在是梅奥诊所(Mayo Clinic)的生物医学信息学讲师。癌细胞不像我们想象的那么像干细胞，而且“这与目前的理解状态不相符。”这表明自然界比我们之前认为的要复杂得多。”
我在1948年发表的一篇论文《通信的数学理论》中，信息论的创始人克劳德·香农(Claude Shannon)把信息描述为一组通过有噪声的信道发送的信息，这些信息可以用“位”来衡量，“位”是一串1和0。一个信号可以被锐化，比如在管道里大喊，或者被噪音冲淡，这是其他信号的影响，会混淆正在交流的信号的清晰度。
“我们意识到，”詹金森说，“DNA甲基化”可以被设想为一个比特，一个1或0，因为当涉及到甲基化时，只有两个选择:未甲基化或甲基化。具体来说，甲基通常结合到dna的一个特定部分，称为“CpG二核苷酸”，一个胞嘧啶(C)与一个鸟嘌呤(G)在双螺旋的磷酸主链上配对。这些双核甘酸通常成群出现，称为“CpG岛”，其两侧经常是密度较低的区域，称为“CpG海岸”。因此，DNA甲基化是通过时间和细胞分裂保守或不保守的二元信息。
詹金森说:“在单个CpG位点上，有一个可遗传的(从母细胞传递到子代的)二进制信号(是否甲基化)。”“这种传输是不完美的(比特可以翻转)，数学上可以描述为一个二元不对称通道，”这意味着CpG双核甘酸倾向于吸引到DNA甲基化状态。霍普金斯大学的研究小组将这种引力定义为一种“能量潜力”，即甲基化模式保持或改变的趋势。一个经过数百个碱基分析的基因区域可能是未甲基化或完全甲基化或介于两者之间的任何模式。低电位是一种容易改变的甲基化状态，而高电位是一种难以克服的状态。甲基化状态由邻近CpG核苷酸的密度和添加或剥离甲基的酶的活性决定——对于成年细胞来说，这一信息是受到严格控制的。
调控这种表观遗传密码的细胞机制是科学家们研究的一个快速发展的领域，他们想要学习修改密码作为一种可能的治疗机制。例如，人们早就知道酶会使DNA发生甲基化，但人们也一直相信甲基最终会从DNA中脱落，就像瓦片从屋顶脱落一样。直到最近几年，人们才发现存在从基因区域中积极剥离甲基的蛋白质。
DNA甲基化是一种二元信息，通过时间和细胞分裂可以保守或不保守。
基因对调节其DNA甲基化机制的反应和敏感程度——所谓的“熵敏感性”——对细胞的功能至关重要。干细胞可能对这种机制高度敏感，因此非常“可塑性”，而对这种机制失去敏感性，从而基因的硬度增加，似乎是衰老和癌症的标志。成人细胞，如肠细胞或肝细胞，需要维持对这种机制的反应，并维持其启动哪些基因的表观遗传记忆，这一任务依赖于其倾听和对维持机制做出反应的能力。但衰老细胞对调节其甲基化状态的机制反应较慢，而且更加僵硬，通常有长段甲基化或未甲基化的遗传区域。这些长时间的基因组可以有很多熵值，这意味着它们可以随时改变，完全独立于正常情况下调节它们甲基化的机制。因此，基因在应对各种环境刺激时的开启或关闭的适应性可能要差得多(就像基因需要做的那样，比如免疫细胞突然行动，神经元重新连接，或者像细胞自我修复和修复一样)，但这些长时间调控不良的基因也可能更容易发生双链断裂和其他形式的灾难性损害，从而导致癌症。
作为一个鼓舞人心的例子，作者观察了在短区域的甲基化WNT1基因，它构建了一种信号蛋白，这是决定细胞命运的关键，意味着一个细胞做出的承诺，成为一种特定的分化形式，如肠道细胞。大肠癌发生在肠道，是男性和女性最常见的三种癌症之一。在健康的结肠中，该基因几乎没有甲基化，并表现出较高的能量潜力，这意味着它倾向于非甲基化状态——它受到高度调控。詹金森说，这意味着“保持完全未甲基化状态需要大量的能量。”“任何偏离这一状态的行为，也就是甲基的添加，都会被迅速‘漏斗’回来，”这导致该基因在健康结肠中保持低甲基化状态。然而，在癌变的结肠中，WNT1的甲基化状态显示出低电位，意味着偏离未甲基化状态WNT1将会“频繁和持久，导致甲基化状态的不确定性。”它的熵更大，通过这个基因传递的信息不再受控制——信息丢失了。
一个临床肿瘤学杂志纸他指出，在大肠癌中最先发现的变化之一是DNA甲基化的广泛缺失，这与细胞的年龄有关，并可能导致最糟糕的损伤形式——DNA双链断裂。DNA甲基化变化对癌细胞来说是非常基本的，它们现在被作为生物标志物进行研究;换句话说，分子标记可以预测癌症。但到目前为止，尚不清楚研究人员是否能够可靠地改变表观遗传密码，或者更重要的是，恢复细胞的正常可塑性，使衰老时钟倒转。
Jim Kozubek是本书的作者现代普罗米修斯:用Crispr-Cas9编辑人类基因组．
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