1942年，康拉德·沃丁頓提出了「表觀遺傳學」這個術語，用於描述發生在基因型和表型之間的特殊生物學過程。表觀遺傳學後來被定義和解釋為「研究不能用DNA序列的變化來解釋的有絲分裂和減數分裂遺傳的基因功能變化」。
「表觀遺傳」是一種基因標記和基因調控系統，對正常人和地球上所有的不如動物都是必不可少的。表觀遺傳標記包括DNA甲基化和位於組蛋白上的共價修飾，「組蛋白代碼」起著調節染色質功能的作用。
這種看似細微的調控，對生殖醫學和科學意義非常重大。表觀遺傳標記在配子（生殖細胞為結合前，比如精子和卵子等）發生、發育和著床前胚胎發育過程中，發生了廣泛變化。
除了基於RNA的表觀遺傳機制外，這些表觀遺傳修飾在調節基因表達方面也發揮著重要的作用。表觀遺傳信息的適當調節，對人類胚胎的正常發育至關重要。當表觀遺傳機制在生命發育和生長過程中受到破壞，將會導致一系列疾病，比如心臟病、高血壓、糖尿病、腫瘤風險升高和皮膚病等。
01生殖、發育和生殖醫學中的表觀遺傳學
配子發育過程中和胚胎著床前發育的自然時期，會發生表觀遺傳的重編程。這一過程與人類輔助生殖過程中，配子和胚胎在體外試管中處理的時間十分吻合。表觀遺傳十分複雜，其中最容易理解的表觀遺傳變化是DNA甲基化。
這種表觀遺傳標記的生命周期包括幾個關鍵階段，包括：a.從原始生殖細胞中清除表觀遺傳標記；b.在配子發生過程中建立一套新的標記；c.著床前階段在全基因組範圍內消除甲基化；d.在發育和分化過程中重新建立標記在胚泡階段（即胚胎發育的第5天）之後。
最新研究發現，在胚胎著床前發育過程中原始生殖細胞DNA甲基化情況被逐漸消除。在常規輔助生殖技術（ART）中，醫生無法用科學的手段檢測和評估人類著床前胚胎的表觀遺傳狀態，所以對重編程以後的表觀遺傳是否影響試管嬰兒，還不是很清楚。
我們在做試管嬰兒技術的時候，是否能明確ART技術會導致孩子發生表觀遺傳缺陷？這些缺陷對孩子未來的生長、發育和健康會有什麼影響？接下來我們詳細探討。
02基因組印記（Genomic imprinting）
為了理解表觀遺傳學，我們先了解一下基因組印記。基因組印記是哺乳動物、植物和昆蟲中受表觀遺傳信息控制的一種基因表達系統，僅包括有限數量的基因。它可以定義為一個基因的一個等位基因（來自母親或父親的等位基因，取決於相關基因）的排他或顯性表達。
例如，胰島素樣生長因子II基因是從父親等位基因表達的印記基因，而H19基因是從母體等位基因表達的印記基因。這種單等位基因表達受等位基因特異表觀遺傳標記（如DNA甲基化）的調控，這些標記在種系中建立，並在著床前發育過程中積極維持，以允許印記基因的正確親本等位基因的持續標記和適當的單等位基因表達。
印跡基因在調節母體與胎兒的能量平衡中尤為重要，目前的研究認為，基因組印跡可以使親代表觀遺傳影響胎兒的生長發育，正確的印跡基因轉錄情況是胎兒早期發育的關鍵。
迄今為止，在人類中已有超過200個印記基因被描述，其中許多印記基因定位在染色體上的簇狀物上。人類有許多先天性疾病，被稱為印記障礙（IDs），由印記基因的破壞引起，包括Beckwith-Wiedemann症候群（BWS）、Silver-Russell症候群（SRS）和Angelman症候群（AS），其中BWS和SRS似乎與輔助生殖有關。
03基因組印記與人類輔助生殖4種疾病
目前，已發表的文獻和薈萃分析表明，通過輔助生殖（體外受精或卵胞漿內單精子注射）受孕的兒童發生IDs的風險高於自然受孕的兒童。
Vermeiden和Bernardus研究發現並報告了IVF/ICSI治療與BWS之間的顯著正相關關係，並發現相對風險值為5.2（95%可信區間1.6-7.4），這表明當使用1:13700的人口流行率時，每2700例IVF/ICSI出生將有一個BWS患兒出生。
類似研究也發現，SRS的發病率和IVF/ICSI治療之間可能存在顯著的正相關關係，但也注意到已發表的病例數量很少（13例SRS患兒在ART後出生）。因此，需要注意的是，雖然IDs的病例很少，但有必要了解ART是如何引起表觀遺傳破壞的，以防這些結果是更廣泛的表觀遺傳破壞的「預測性」指標，其中可能包括非印記位點。
04輔助生殖過程什麼因素導致表觀遺傳變化？
除了實驗動物的數據外，還有來自人類臨床研究的證據表明，許多輔助生殖程序，包括超數排卵、顯微操作、卵母細胞體外成熟和胚胎培養，都會造成表觀遺傳的不良影響。不幸的是，輔助生殖程序是動態的過程，很難追蹤這個過程。並且，表觀遺傳的變化往往是發生在配子和胚胎中，我們很難發現這個暗箱裡的「玄機」。
近些年，表觀遺傳變化的程度、與輔助生殖處理的關係、與人類健康和疾病的相關性等等，才剛剛開始理解。因此，輔助生殖技術是否安全這個問題，又一次被提起，也許我們需要通過高通量測序技術在輔助生殖全部過程去監測和評價。所以，輔助生殖的使用應該受到密切的監控和隨訪。為了方便理解，我們簡單描述一下試管嬰兒的操作流程及影響因素。
05胚胎體外培養（In vitro culture of embryos）
大量的文獻已經描述了體外培養（IVC）對哺乳動物著床前胚胎基因表達的影響。在某些類型的培養基中進行胚胎培養，會導致許多印記基因的表達和/或甲基化被破壞。可以這樣理解，培養基可能誘導小鼠著床前胚胎的細胞、發育和代謝的廣泛變化，包括對代謝途徑的影響。
遺憾的是，很少有人研究研究培養基對人類植入前胚胎的影響，尤其是表觀遺傳影響。Kleijkers等報導了來自多個途徑的基因在兩種受試培養基（G5培養基和人輸卵管液培養基）中的差異表達。Mantikou等人最近的一項研究中，174個基因在使用這兩種培養基培養的人類胚胎中有差異表達。
考慮到目前生物技術公司對開發含生長因子的胚胎培養基顯示較大興趣，同樣值得注意的是，在培養的人類胚胎中添加單一生長因子會導致基因表達譜發生變化。一項對小鼠的組織學研究表明，在不同培養基中培養的胚胎，胎兒或胎盤的形態學外觀沒有顯著差異，但是這項研究不涉及分子生物技術分析，所以是否存在我們肉眼看不到的變化，結果不可知。
在試管嬰兒中，IVC有害影響的另一個例子是大子代症候群（LOS），反芻動物IVC後可能會觀察到胎兒在子宮內長大，給母親和胎兒帶來風險。在使用RNA測序的綜合遺傳分析中，LOS被發現涉及多位點印記缺失症候群。這些研究強調在某些情況下，IVC有可能引起基因表達/甲基化的全基因組變化，從而產生不良的發育後果。
06體外培養影響新生兒出生體重
出生體重是一個重要的指標，它不僅可以反映胎兒生長發育情況，也是心臟代謝疾病長期風險的有力預測因素。Dumoulin等人報告了出生體重與胎齡和性別調整後的出生體重相比有顯著差異（3453±53 g[平均值的樣本誤差]與3208±61 g，P=0.003）。在隨後的一項大型隊列中研究也報告了類似的發現。此外，在出生後的頭2年，出生後體重也有差異，與其他三種類型的胚胎培養基相比，平均出生體重或平均出生長度沒有顯著差異。
進一步的研究發現，使用同一系列培養基也沒有發現出生體重的顯著差異。其他可能影響出生體重的培養條件包括培養基的年齡、培養時間長短（與胚泡培養和卵裂階段轉移的延長培養期有關）以及培養基中使用的蛋白質來源。Zandstra等人總結了這些研究，世衛組織的結論是，在公布的11份媒體比較中，有6份顯示出生體重存在差異，而5份沒有。
所列培養條件列表不一定完整，將來可能會確定其他因素。歐洲人類生殖和胚胎學學會呼籲國家ART登記處跟蹤使用的培養基，以便對健康風險進行長期評估，並鼓勵商業製造商充分披露培養基成分，要求製造商對任何媒體配方的變更以及任何變更的科學依據進行公開；ART診所使用質量管理系統，以確保培養基的正確儲存和使用；作為質量控制措施的子代健康的臨床隨訪；所用培養基類型的記錄應記錄在國家登記冊中。
一項隨機對照試驗也考慮了培養基對體外受精後妊娠和圍產期結局的影響，發表於2016年。這項研究比較了在G5或人類輸卵管液體培養基中胚胎培養後的結果，報告稱G5組的出生體重顯著降低，而臨床妊娠率顯著升高。
07控制性卵巢過度刺激/超數排卵（Controlled ovarian hyperstimulation/superovulation）
來自動物和人類研究的數據表明，卵巢刺激過程可能會導致卵母細胞、胚胎和胎盤的表觀遺傳錯誤。控制性卵巢過度刺激（COH）/超數排卵會破壞卵母細胞的表觀成熟和印記建立過程，或者可能導致質量較差的卵母細胞被招募，而這些卵母細胞通常不會被選中排卵。
人類中的COH與少數受試基因位點的表觀遺傳變化有關，可能是ART孕婦生育BWS患兒的高危因素。小鼠研究發現，超數排卵會發生一種跨代效應，換句話說就是，超數排卵母親第二代後代的精子中持續存在表觀遺傳變化。
據報導，超數排卵也會導致胚胎和胎盤中母系和父系表達基因的基因組印記受到幹擾，因此可能會破壞關鍵的卵母細胞/早期胚胎特異性因子，這些印記對胚胎在著床前發育很重要。
08人類輔助生殖技術胚胎表觀遺傳變化的證據
據研究報導，表觀遺傳錯誤是人類胚胎發育固有的現象。一些研究表明，印記基因如SNRPN、H19、PEG1/MEST、KCNQ1OT1和印記基因調控區，可能容易受到異常DNA甲基化模式或基因表達模式的影響。此類研究包括分析KvDMR1，即人類ART相關BWS中異常甲基化的DMR，以及牛胚胎輔助生殖後LOS中的低甲基化。
然而，目前嘗試用從數量有限的基因座獲得的甲基化數據來衡量「表觀遺傳健康」的方法是無能為力的。因為我們目前對人類發育的表觀遺傳過程認知很少，無法確鑿地證明在植入前胚胎中檢測到的任何特定表觀遺傳缺陷，是否會在嬰兒出生時引起相關疾病，或者可能在以後的發育過程中顯現出來。
09不育和表觀遺傳學（Infertility and epigenetics）
除了ART引起的影響外，考慮配子發生本身易受表觀遺傳缺陷影響的不孕病例也很重要。在男性不育症患者的精子中觀察到了令人不安的表觀遺傳特徵，而對精子的表觀遺傳學篩查可能在臨床上有潛在的應用。
女性不育的生殖系中可能存在類似的表觀遺傳缺陷。Kobayashi等人指出，在某些情況下，表觀遺傳錯誤可能是由精子遺傳而來，但其他研究表明，表觀遺傳缺陷是由於精子的過程本身而不是配子的缺陷，在輔助生殖的次優條件下，先前存在的配子表觀遺傳缺陷可能會惡化。參加ART展的夫婦的其他特徵也必須加以考慮，例如，高齡、飲食、身體成分、環境暴露和遺傳和表觀遺傳變異，這些都被證明會影響哺乳動物生殖系的表觀遺傳程序。所以，在試管嬰兒前後進行基因分析和表觀遺傳分析就顯得十分必要了。
10人類輔助生殖隊列中表觀遺傳變化的證據
正如Batcheller等人總結的那樣，ART隊列的表觀遺傳圖譜似乎與自然設想的不同。然而，研究受到所用分析類型、基因組覆蓋率和用於分析的細胞類型的限制。在最近的研究中，甲基化的定量評估表明，使用ICSI與SNRPN甲基化水平更高有關。在另一項研究中，Melamed等人使用了一個甲基化陣列，它允許對基因組進行更廣泛的取樣，並發現輔助生殖組中觀察到低甲基化。與其他研究結果一致，與自然受孕相比，ART可能與DNA甲基化顯著更高的變異相關。
11心血管疾病和代謝疾病可能是輔助生殖技術的遺產
一些研究表明，ARTs與胎兒生長受限、早產、胎齡低出生體重、心血管畸形和其他缺陷的風險略有增加有關。長期隨訪研究（Hart和Norman回顧）表明，IVF後代血壓升高和空腹血糖升高的發生率可能增加，體內脂肪總量增加。
在通過ART受孕的兒童和青少年中觀察到了全身和肺血管功能障礙以及右心室功能障礙。輔助生殖也可能導致心臟和血管重構，這種重構在人類胎兒和出生後的發育過程中持續存在。在小鼠研究中也發現了心血管和代謝的影響，有證據表明這些問題是由表觀遺傳引起的。
因此，在試管受精受孕的小鼠中，觀察到印記基因的表觀遺傳變化，以及內皮型一氧化氮合酶基因的甲基化和表達以及主動脈的動脈功能。其他研究支持越來越多的證據表明，抗逆轉錄病毒治療後，代謝和心血管疾病的風險可能會增加。
這些結果可能是暴露在次優培養基和/或環境中的哺乳動物胚胎代謝途徑改變/適應的結果。事實上，真核細胞中參與表觀遺傳基因調控的許多酶利用細胞代謝產生的共基質和共因子，例如乙醯輔酶a和組蛋白乙醯化，煙醯胺腺嘌呤二核苷酸和sirtuin脫乙醯化酶活性的細胞波動，S-腺苷甲硫氨酸和組蛋白/DNA甲基化。
在這些代謝中介物中，對S-腺苷甲硫氨酸介導的表觀遺傳調節的幹擾研究最為全面，因為它受到1-碳代謝途徑的影響。這些輸入包括多種維生素B（如B12、葉酸[B9]和B6）以及諸如硫、鋅和鈷。這些因素又會受到生活方式因素的影響，包括肥胖、吸菸、飲酒和咖啡因的攝入，這些因素會最後會導致早孕胎兒組織基因表達的表觀遺傳失調。
越來越多的證據表明，在為正在接受治療的夫婦提供指導時，需要一種更全面的方法生育治療延伸到飲食建議和生活方式選擇。
12輔助生殖對胎盤功能的長期影響
輔助生殖妊娠除了胎盤和臍帶血中修飾的印跡基因表達和/或甲基化外，還與較大的胎盤和較高的胎盤重量/出生體重比有關。這些發現可能很重要，因為印記基因在胎盤中高度表達並起關鍵作用功能。在小鼠實驗中，ART可導致胎盤的多種有害影響，這為表觀遺傳影響ART子代提供了分子證據，證明輔助生殖可對胎盤功能產生不利影響，並有可能影響孩子的長期健康。
13試管助孕過程中，如何降低或消除表觀遺傳有害改變呢？
首先需要考慮的是印記障礙，目前研究發現至少有兩種基因組印記障礙，BWS和SRS似乎與ARTs有關，然而這些疾病的發生非常罕見，所以做試管助孕也不用擔心。
大量動物研究的證據表明，包括胚胎培養、超數排卵、卵母細胞體外成熟、顯微操作和胚胎移植等在內的ART有可能產生表觀遺傳變化，從而導致胎兒或胎盤功能紊亂。所以進行遺傳和表觀遺傳基因篩查和評估是十分重要的，也方便在孕期進行飲食、運動和營養幹預，嘗試逆轉有害的表觀改變。
有證據表明，與自然受孕者相比，ART組的表觀遺傳差異和基因表達改變，儘管需要全基因組研究來證實這一點。新的數據表明，ARTs的長期後果可能包括心血管和代謝紊亂，這可能是由於胎盤功能受損所致。需要進行更多的研究，以確定ART和不孕對人類概念的表觀遺傳程序的影響以及隨後的任何短期和/或長期發展後果。