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精子染色體上的表觀遺傳標記影響后代的基因表達

2019-03-21 09:28:42 ? 來源：

加州大學圣克魯茲分校的科學家們表示，他們已經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)育的變化。3月20日在Nature Communications上發(fā)表的他們的研究(“精子遺傳的H3K27me3影響秀麗隱桿線蟲的后代轉錄和發(fā)育”)涉及使用線蟲C.線蟲的一系列實驗。

在秀麗隱桿線蟲的實驗中，Susan Strome博士實驗室的研究人員專注于組蛋白標記，修飾組蛋白尾巴中的特定氨基酸。Strome是一位分子，細胞和發(fā)育生物學教授，他說這項新研究解決了表觀遺傳學領域的一個核心問題。

“這是一個非常直接的問題：遺傳精子染色體的DNA組蛋白包裝是否會影響后代的基因表達?答案是肯定的，“她說。

“父系表觀遺傳因其日益增長的醫(yī)學相關性而備受關注。然而，父系表觀遺傳信息傳遞給后代的形式以及它如何影響后代的發(fā)展仍然知之甚少。在這里，我們表明，在秀麗隱桿線蟲中，精子遺傳的染色質狀態(tài)傳遞給后代的原始生殖細胞影響種系的轉錄和發(fā)育，“研究者寫道。

“我們發(fā)現(xiàn)缺乏抑制性組蛋白修飾H3K27me3的遺傳的精子染色體通過H3K36me3拮抗作用維持在該狀態(tài)。缺乏精子染色體的H3K27me3的遺傳導致體細胞基因，特別是神經元基因的種系中的去阻遏，主要來自精子遺傳的等位基因。這導致生殖細胞失去其生殖細胞特性并采用神經元命運。這些數據表明，組蛋白修飾是一種機制，通過這種機制，父親的表觀遺傳信息可以塑造后代基因的表達和發(fā)育。“

第一作者，Strome實驗室的研究生Kiyomi Kaneshiro領導了這項研究，他說線蟲是研究這個問題的好模型，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。

“關于組蛋白包裝在人體中的保留程度存在爭議，但我們知道它保留在基因組的一些發(fā)育重要區(qū)域，”Kaneshiro說。

研究人員一直關注父系中的表觀遺傳，因為精子對胚胎的貢獻比胚胎更多。雞蛋含有許多可能影響胚胎發(fā)育的其他成分，使得更難以梳理出母系中的表觀遺傳效應。

在她的實驗中，Kaneshiro選擇性地從精子染色體中去除特定的組蛋白標記，然后用修飾的精子受精卵并研究產生的后代。一個關鍵的創(chuàng)新是使用來自兩種不同的秀麗隱桿線蟲的精子和卵子，這使得Kaneshiro能夠區(qū)分從精子遺傳的染色體和從卵子遺傳的染色體。她選擇了來自英國和夏威夷的蠕蟲菌株，它們分別進化了足夠長的時間以積累單核苷酸多態(tài)性。

“父親是英國人，母親是夏威夷人，他們之間有足夠的差異，我們可以區(qū)分他們后代細胞中的兩個親本基因組，”Kaneshiro說。“通過這種混合系統(tǒng)，我們能夠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，精子染色體失去了一種抑制信號，通常會使某些基因在后代的種系中不活躍。Kaneshiro觀察到后代的種系細胞打開神經元基因并開始發(fā)育成神經元。

在這些實驗中去除的特定組蛋白標記是在從蠕蟲到果蠅到人類的動物中發(fā)現(xiàn)的廣泛研究的表觀遺傳標記。“這種標記存在于人類精子染色體上的組蛋白上，”Kaneshiro說。

新發(fā)現(xiàn)表明，遺傳的表觀遺傳標記會影響基因的表達和發(fā)育。但該研究涉及人工改變精子染色體上的標記。還有待理解的是，對成體生物體的環(huán)境影響如何改變其生殖細胞中的表觀遺傳標記，使得這些環(huán)境影響可能傳遞給后代。

“我們的研究結果提出了組蛋白標記是跨代表觀遺傳的攜帶者的可能性，”Kaneshiro說。“我們知道有機體經歷的環(huán)境可以改變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，我們預計這些變化可以被遺傳，但我們還沒有表現(xiàn)出來。“

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