表观遗传学是对基因表达的遗传性变化的研究，这些变化在基本 DNA 序列不发生变化的情况下发生。这些机制对于正常发育、细胞分化和基因组印记至关重要，它们的失调会导致癌症和其他疾病。
DNA 甲基化
DNA 甲基化主要发生在 CpG 二核苷酸内的胞嘧啶碱基处，由 DNA 甲基转移酶 (DNMT) 催化。 DNMT3A 和 DNMT3B 在发育过程中建立甲基化模式（从头甲基化），而 DNMT1 在 DNA 复制过程中通过将甲基化从亲本链复制到子链来维持甲基化模式。 CpG 岛是基因启动子区域中常见的高 CpG 密度区域，通常在活性基因中未甲基化。启动子 CpG 岛的甲基化与转录抑制相关，通过直接阻断转录因子结合或通过招募甲基 CpG 结合域蛋白（MeCP2、MBD1-4）来招募组蛋白脱乙酰酶和染色质重塑复合物。 DNA甲基化模式在胚胎发生和配子发生过程中被重新编程，受精后不久发生整体去甲基化，随后发生谱系特异性重新甲基化。
组蛋白修饰
组蛋白在其 N 末端尾部经历多种翻译后修饰，包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和苏酰化。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶 (HAT) 催化，中和赖氨酸残基的正电荷，降低组蛋白和 DNA 之间的亲和力，并创建开放的转录活性染色质结构。组蛋白脱乙酰酶 (HDAC) 逆转这种修饰，恢复正电荷并促进染色质压缩和基因沉默。组蛋白甲基化可以是激活的或抑制的，具体取决于特定的残基和甲基化程度。 H3 赖氨酸 4 三甲基化 (H3K4me3) 标记活性启动子，H3 赖氨酸 36 三甲基化 (H3K36me3) 标记转录基因体，Polycomb 抑制复合物 2 (PRC2) 沉积的 H3 赖氨酸 27 三甲基化 (H3K27me3) 标记沉默的发育基因。 H3 赖氨酸 9 三甲基化 (H3K9me3) 与着丝粒和端粒的组成型异染色质相关。
染色质重塑
ATP 依赖性染色质重塑复合物利用 ATP 水解的能量来滑动、喷射或重组核小体，使 DNA 能够接触转录因子和其他调节蛋白。 SWI/SNF 家族（哺乳动物中的 BAF 复合物）动员核小体促进转录因子结合，在癌症中经常发生突变，在卵巢癌、肺癌和儿科癌症中发现了 ARID1A、SMARCA4 和 SMARCB1 突变。 ISWI 家族复合物促进核小体间距和染色质压缩，CHD 家族复合物（包括 NuRD）在激活和抑制中发挥作用，INO80 家族复合物参与 DNA 修复和复制。这些重塑复合物的组合作用建立了染色质可及性的景观，从而定义了细胞身份。
基因组印记
基因组印记是一种表观遗传现象，其中一部分基因以亲本特异性方式表达。印记基因在配子发生过程中以差异DNA甲基化为标志，母本或父本等位基因被甲基化和沉默。 IGF2/H19 基因座是一个典型的例子：IGF2 仅从父本等位基因表达，而 H19 仅从母本等位基因表达，受到印记控制区 (ICR) 的调节，ICR 结合母本染色体上的 CTCF，以阻止增强子接触 IGF2。印记疾病包括 Prader-Willi 综合征（父亲 15q11-q13 缺失，母本等位基因因印记而沉默）和 Angelman 综合征（母本同一区域缺失，父本等位基因沉默），证明了亲本效应的临床重要性。
X 染色体失活
在雌性哺乳动物中，两条 X 染色体之一在称为 X 失活的过程中转录沉默，从而平衡 XX 雌性和 XY 雄性之间的 X 连锁基因表达。该过程由长非编码 RNA Xist 启动，它从未来不活跃的 X 染色体转录而来，并以顺式方式包裹它，招募染色质修饰剂，沉积抑制标记，包括 H3K27me3 和 H2AK119ub。不活跃的X染色体变成致密的巴尔体，在S期晚期复制，并且其大部分基因稳定沉默。 X 失活在胚胎本身中是随机的，但在胚胎外组织中被印记（父本 X 沉默）。不活跃的 X 在卵子发生过程中重新激活，但在精子中保持不活跃状态。
发育中的表观遗传重编程
受精后，父本基因组在DNA复制前经历快速主动去甲基化，而母本基因组通过被动稀释逐渐去甲基化。亲本特异性表观遗传标记的消除之后是囊胚阶段的从头甲基化，建立了驱动谱系特异性基因表达的表观遗传模式。原始生殖细胞经历更完整的表观遗传重编程，包括消除印记，以恢复全能性。诱导多能干细胞是通过转录因子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc）的强制表达对体细胞进行重编程而产生的，同时伴随着消除体细胞记忆的全局表观遗传重塑。
疾病中的表观遗传学
异常的 DNA 甲基化模式是癌症的一个标志，整体低甲基化会促进基因组不稳定，而肿瘤抑制基因启动子（如 BRCA1、MLH1、CDKN2A）的局部高甲基化会导致其沉默。表观遗传修饰剂的突变本身就是致癌的，包括产生 2-羟基戊二酸、抑制 TET 脱甲基酶并导致 CpG 岛甲基化表型的 IDH1/IDH2 突变。表观遗传疗法包括用于骨髓增生异常综合征和急性髓性白血病的 DNA 甲基转移酶抑制剂（阿扎胞苷、地西他滨）和用于皮肤 T 细胞淋巴瘤的 HDAC 抑制剂（伏立诺他、罗米地辛）。饮食、压力和吸烟等环境因素可以改变表观遗传标记，通过新兴的环境表观遗传学领域将生活方式与基因表达变化和疾病风险联系起来。
