隨著生物體的生長及其對環(huán)境的反應(yīng)，其細(xì)胞中的基因不斷地被開啟和關(guān)閉，不同的細(xì)胞中有不同的基因表達(dá)模式。但是基因表達(dá)的變化能從父母傳給孩子和后代嗎？盡管這種被稱為“交叉代表遺傳”的現(xiàn)象的間接證據(jù)越來越多，但它仍然有爭議，因?yàn)樗澈蟮臋C(jī)制太神秘了。
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基因表達(dá)和后代發(fā)育的變化。他們的研究發(fā)表在3月20日的《自然通訊》上，包括一系列利用秀麗隱桿線蟲的巧妙實(shí)驗(yàn)。表觀遺傳改變并不改變基因的DNA序列，而是涉及DNA本身或包裝在染色體中的組蛋白的化學(xué)修飾。這些修飾或“標(biāo)記”改變基因表達(dá)，開啟或關(guān)閉基因。
在秀麗隱桿線蟲的實(shí)驗(yàn)中，加州大學(xué)圣克魯斯分校蘇珊斯特羅姆實(shí)驗(yàn)室的研究人員專注于組蛋白標(biāo)記，以修飾組蛋白尾部的特定氨基酸。分子、細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)教授斯托姆說，這項(xiàng)新研究解決了表觀遺傳學(xué)的一個(gè)核心問題。
“這是一個(gè)非常直接的問題：改變組蛋白包裝的遺傳精子染色體和DNA會影響后代的基因表達(dá)嗎？答案是肯定的，”她說。第一位作者清見金城武是斯特羅姆實(shí)驗(yàn)室的研究生，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。他說，線蟲是研究這個(gè)問題的一個(gè)很好的模型，因?yàn)榻M蛋白包裝完全保留在蠕蟲的精子染色體中。在人類和其他哺乳動物中，組蛋白包裝僅部分保留在精子中。
金城武說：“組蛋白包裝在人體內(nèi)的保留程度存在爭議，但我們知道它保留在基因組的一些重要發(fā)育區(qū)域。研究人員一直關(guān)注父系中的表觀遺傳學(xué)，因?yàn)榫訉ε咛サ呢暙I(xiàn)大于胚胎。卵子含有許多其他可能影響胚胎發(fā)育的成分，這使得在母系中更難理清表觀遺傳效應(yīng)。
在她的實(shí)驗(yàn)中，金城武選擇性地從精子染色體上去除特定的組蛋白標(biāo)記，然后用修飾過的精子使卵子受精，并研究產(chǎn)生的后代。一個(gè)關(guān)鍵的創(chuàng)新是使用了來自兩種不同秀麗隱桿線蟲的精子和卵子，這使得金城武能夠區(qū)分從精子和卵子遺傳的染色體。她選擇了來自英國和夏威夷的蠕蟲病毒株，它們進(jìn)化的時(shí)間足夠長，可以積累許多小的遺傳差異(稱為單核苷酸多態(tài)性)。
“父親是英國人，母親是夏威夷人。它們之間有足夠的差異，所以我們可以區(qū)分它們后代細(xì)胞中的兩個(gè)父代基因組，”金城武說?！巴ㄟ^這個(gè)雜交系統(tǒng)，我們可以看到基因表達(dá)的差異，這是精子染色體上組蛋白標(biāo)記變化的直接結(jié)果。”
此外，基因表達(dá)的這些變化具有發(fā)育后果。隨著組蛋白標(biāo)記的去除，精子染色體失去一種抑制信號，這通常會使一些基因在后代生殖系(產(chǎn)生卵子和精子的細(xì)胞)中失活。金城武觀察到，后代的生殖細(xì)胞開啟神經(jīng)元基因，開始發(fā)育成神經(jīng)元。
在這些實(shí)驗(yàn)中去除的特定組蛋白標(biāo)記是廣泛研究的表觀遺傳標(biāo)記，在從蠕蟲到果蠅到人類的動物中發(fā)現(xiàn)。“這種標(biāo)記存在于人類精子染色體上的組蛋白中，”金城武說。
新發(fā)現(xiàn)表明遺傳的表觀遺傳標(biāo)記會影響基因表達(dá)和發(fā)育。然而，這項(xiàng)研究涉及人工改變精子染色體上的標(biāo)記。環(huán)境對成年生物的影響如何改變其生殖細(xì)胞中的表觀遺傳標(biāo)記，從而這些環(huán)境影響可能會傳遞給后代，這還有待了解。
“我們的結(jié)果表明組蛋白標(biāo)記是交叉代表性遺傳的載體，”金城武說?！拔覀冎溃矬w經(jīng)歷的環(huán)境可以改變體細(xì)胞[無生殖體細(xì)胞]中的基因表達(dá)模式。如果它改變了種系中的基因表達(dá)模式，我們預(yù)計(jì)這些變化是可遺傳的，但我們沒有表明這一點(diǎn)?！?
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