在線蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)精子染色體上的表觀遺傳標(biāo)記會(huì)影響后代的基因表達(dá)和發(fā)育。
當(dāng)一個(gè)生物體生長(zhǎng)并適應(yīng)環(huán)境時(shí)，其細(xì)胞中的基因不斷地開(kāi)關(guān)，在不同的細(xì)胞中有不同的基因表達(dá)模式。但是基因的表達(dá)變化能從父母?jìng)鹘o子女和后代嗎？雖然這一現(xiàn)象的間接證據(jù)，稱為“跨代表觀遺傳”，正在增加，但它仍然有爭(zhēng)議，因?yàn)楸澈蟮臋C(jī)制太神秘。
現(xiàn)在，加州大學(xué)圣克魯斯分校的研究人員已經(jīng)證明，父母精子染色體攜帶的表觀遺傳信息可以引起后代基因表達(dá)和發(fā)育變化。他們的研究發(fā)表在3月20日的Nature Communications上，包括一系列線蟲(chóng)模型的清晰實(shí)驗(yàn)。
表觀遺傳的改變不會(huì)改變基因的DNA序列，而是涉及到對(duì)染色體中組蛋白或DNA的化學(xué)修飾。這些修飾或“標(biāo)記”改變基因表達(dá)，打開(kāi)或關(guān)閉基因。
在他們對(duì)線蟲(chóng)的實(shí)驗(yàn)中，加州大學(xué)圣克魯斯分校Susan Strome實(shí)驗(yàn)室的研究人員專注于組蛋白修飾、組蛋白尾部特定氨基酸的修飾。Strome是分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)教授，他說(shuō)這項(xiàng)新研究解決了表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)核心問(wèn)題。
“這是一個(gè)非常直接的問(wèn)題：精子染色體中組裝DNA的組蛋白修飾改變會(huì)影響后代的基因表達(dá)嗎？答案是會(huì)影響的，”她說(shuō)。
文章第一作者Kiyomi Kaneshiro是Strome實(shí)驗(yàn)室的研究生，他主導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他說(shuō)線蟲(chóng)是研究這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)很好的模型，因?yàn)榻M蛋白修飾完全保留在線蟲(chóng)的精子染色體中。在人類和其他哺乳動(dòng)物中，組蛋白修飾僅部分保留在精子中。
“關(guān)于組蛋白修飾在人類體內(nèi)保留了多少仍存在爭(zhēng)議，但我們知道它被保留在基因組的一些重要的發(fā)育區(qū)域，”Kaneshiro說(shuō)。
研究人員關(guān)注父系的表觀遺傳，因?yàn)槿旧w是精子對(duì)胚胎的主要貢獻(xiàn)。相反，卵內(nèi)含有許多其他可能影響胚胎發(fā)育的成分，這使得很難梳理出母系的表觀遺傳效應(yīng)。
在她的實(shí)驗(yàn)中，Kaneshiro選擇性地從精子染色體上去除了一個(gè)特定的組蛋白修飾，然后用修改過(guò)的精子使卵子受精，并研究了由此產(chǎn)生的后代。一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新是使用兩種不同的線蟲(chóng)品系的精子和卵，這使得Kaneshiro能夠區(qū)分從精子遺傳的染色體和從卵遺傳的染色體。她選擇了來(lái)自英國(guó)和夏威夷的線蟲(chóng)，這些線蟲(chóng)獨(dú)立進(jìn)化的時(shí)間足以積累許多小的遺傳差異（稱為單核苷酸多態(tài)性）。
“父本是英國(guó)的，母本是夏威夷的，它們之間有足夠的差異，我們可以區(qū)分它們后代細(xì)胞中的兩個(gè)親本基因組，”Kaneshiro說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)這個(gè)雜交系統(tǒng)，我們能夠看到精子染色體組蛋白修飾變化所引起的基因表達(dá)差異?！?/span>
此外，這些基因表達(dá)的變化也會(huì)對(duì)發(fā)育產(chǎn)生影響。隨著組蛋白修飾的去除，精子染色體失去了一種抑制性信號(hào)，這種信號(hào)通常會(huì)阻止某些基因在后代生殖細(xì)胞（產(chǎn)生卵子和精子的細(xì)胞）中的活性。Kaneshiro觀察到后代的生殖細(xì)胞啟動(dòng)神經(jīng)元基因并開(kāi)始發(fā)育成神經(jīng)元。
在這些實(shí)驗(yàn)中去除的特殊組蛋白修飾是一種廣泛研究的表觀遺傳標(biāo)記，在從線蟲(chóng)到果蠅到人類的動(dòng)物身上都有發(fā)現(xiàn)?！斑@個(gè)標(biāo)記在人類精子染色體保留的組蛋白上也有被發(fā)現(xiàn)，”Kaneshiro說(shuō)。
新發(fā)現(xiàn)表明，遺傳獲得的表觀遺傳標(biāo)記影響基因表達(dá)和發(fā)育。但這項(xiàng)研究涉及到人為地改變精子染色體上的標(biāo)記。有待理解的是，環(huán)境對(duì)一個(gè)成年有機(jī)體的影響如何改變其生殖細(xì)胞的表觀遺傳，使這些環(huán)境影響可能傳播到下一代。
“我們的研究發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾可能是跨代表觀遺傳的載體，”Kaneshiro說(shuō)?！拔覀冎?，生物體所經(jīng)歷的環(huán)境可以改變體細(xì)胞（非生殖細(xì)胞）的基因表達(dá)模式。如果它改變了生殖細(xì)胞中的基因表達(dá)模式，我們期望這些變化可以被遺傳，但我們還沒(méi)有證明這一點(diǎn)?！?/span>
參考文獻(xiàn)：
Sperm-inherited H3K27me3 impacts offspring transcription and development in C. elegans
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