在線蟲實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)精子染色體上的表觀遺傳標記會影響后代的基因表達和發(fā)育。
當(dāng)一個生物體生長并適應(yīng)環(huán)境時，其細胞中的基因不斷地開關(guān)，在不同的細胞中有不同的基因表達模式。但是基因的表達變化能從父母傳給子女和后代嗎？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，但它仍然有爭議，因為背后的機制太神秘。
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，包括一系列線蟲模型的清晰實驗。
表觀遺傳的改變不會改變基因的DNA序列，而是涉及到對染色體中組蛋白或DNA的化學(xué)修飾。這些修飾或“標記”改變基因表達，打開或關(guān)閉基因。
在他們對線蟲的實驗中，加州大學(xué)圣克魯斯分校Susan Strome實驗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、細胞和發(fā)育生物學(xué)教授，他說這項新研究解決了表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的一個核心問題。
“這是一個非常直接的問題：精子染色體中組裝DNA的組蛋白修飾改變會影響后代的基因表達嗎？答案是會影響的，”她說。
文章第一作者Kiyomi Kaneshiro是Strome實驗室的研究生，他主導(dǎo)了這項研究，他說線蟲是研究這個問題的一個很好的模型，因為組蛋白修飾完全保留在線蟲的精子染色體中。在人類和其他哺乳動物中，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。
研究人員關(guān)注父系的表觀遺傳，因為染色體是精子對胚胎的主要貢獻。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)。
在她的實驗中，Kaneshiro選擇性地從精子染色體上去除了一個特定的組蛋白修飾，然后用修改過的精子使卵子受精，并研究了由此產(chǎn)生的后代。一個關(guān)鍵的創(chuàng)新是使用兩種不同的線蟲品系的精子和卵，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。她選擇了來自英國和夏威夷的線蟲，這些線蟲獨立進化的時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)分它們后代細胞中的兩個親本基因組，”Kaneshiro說?！巴ㄟ^這個雜交系統(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差異。”
此外，這些基因表達的變化也會對發(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，這種信號通常會阻止某些基因在后代生殖細胞（產(chǎn)生卵子和精子的細胞）中的活性。Kaneshiro觀察到后代的生殖細胞啟動神經(jīng)元基因并開始發(fā)育成神經(jīng)元。
在這些實驗中去除的特殊組蛋白修飾是一種廣泛研究的表觀遺傳標記，在從線蟲到果蠅到人類的動物身上都有發(fā)現(xiàn)?！斑@個標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。
新發(fā)現(xiàn)表明，遺傳獲得的表觀遺傳標記影響基因表達和發(fā)育。但這項研究涉及到人為地改變精子染色體上的標記。有待理解的是，環(huán)境對一個成年有機體的影響如何改變其生殖細胞的表觀遺傳，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。“我們知道，生物體所經(jīng)歷的環(huán)境可以改變體細胞（非生殖細胞）的基因表達模式。如果它改變了生殖細胞中的基因表達模式，我們期望這些變化可以被遺傳，但我們還沒有證明這一點?！?/span>
參考文獻：
Sperm-inherited H3K27me3 impacts offspring transcription and development in C. elegans
