研究人員追蹤精子染色體攜帶的表觀遺傳標記的影響

隨著生物體的生長及其對環(huán)境的反應，其細胞中的基因不斷地被開啟和關閉，不同的細胞中有不同的基因表達模式。但是基因表達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，因為它背后的機制太神秘了。

現(xiàn)在加州大學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驗。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修飾。這些修飾或“標記”改變基因表達，開啟或關閉基因。

在秀麗隱桿線蟲的實驗中，加州大學圣克魯斯分校蘇珊斯特羅姆實驗室的研究人員專注于組蛋白標記，以修飾組蛋白尾部的特定氨基酸。分子、細胞和發(fā)育生物學教授斯托姆說，這項新研究解決了表觀遺傳學的一個核心問題。

“這是一個非常直接的問題：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驗室的研究生，他領導了這項研究。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。研究人員一直關注父系中的表觀遺傳學，因為精子對胚胎的貢獻大于胚胎。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。

在她的實驗中，金城武選擇性地從精子染色體上去除特定的組蛋白標記，然后用修飾過的精子使卵子受精，并研究產(chǎn)生的后代。一個關鍵的創(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，它們進化的時間足夠長，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)分它們后代細胞中的兩個父代基因組，”金城武說?！巴ㄟ^這個雜交系統(tǒng)，我們可以看到基因表達的差異，這是精子染色體上組蛋白標記變化的直接結(jié)果。”

此外，基因表達的這些變化具有發(fā)育后果。隨著組蛋白標記的去除，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)生卵子和精子的細胞)中失活。金城武觀察到，后代的生殖細胞開啟神經(jīng)元基因，開始發(fā)育成神經(jīng)元。

在這些實驗中去除的特定組蛋白標記是廣泛研究的表觀遺傳標記，在從蠕蟲到果蠅到人類的動物中發(fā)現(xiàn)?！斑@種標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記會影響基因表達和發(fā)育。然而，這項研究涉及人工改變精子染色體上的標記。環(huán)境對成年生物的影響如何改變其生殖細胞中的表觀遺傳標記，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)果表明組蛋白標記是交叉代表性遺傳的載體，”金城武說?！拔覀冎?，生物體經(jīng)歷的環(huán)境可以改變體細胞[無生殖體細胞]中的基因表達模式。如果它改變了種系中的基因表達模式，我們預計這些變化是可遺傳的，但我們沒有表明這一點?！?

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