隨著生物體的生長(zhǎng)和對(duì)其環(huán)境的響應(yīng)，其細(xì)胞中的基因不斷地打開和關(guān)閉，在不同細(xì)胞中具有不同的基因表達(dá)模式。但基因表達(dá)的變化是否可以從父母?jìng)鹘o子女和后代?盡管這種被稱為“跨代表觀遺傳繼承”的現(xiàn)象的間接證據(jù)正在增長(zhǎng)，但它仍然存在爭(zhēng)議，因?yàn)樗澈蟮臋C(jī)制是如此神秘。

現(xiàn)在UC Santa Cruz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)育的變化。他們的研究發(fā)表在3月20日的“自然通訊”雜志上，涉及一系列使用線蟲蠕蟲秀麗隱桿線蟲的聰明實(shí)驗(yàn)。

表觀遺傳變化不會(huì)改變基因的DNA序列，而是涉及對(duì)DNA本身或DNA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)，打開或關(guān)閉基因。

在秀麗隱桿線蟲的實(shí)驗(yàn)中，加州大學(xué)圣克魯茲分校Susan Strome實(shí)驗(yàn)室的研究人員專注于組蛋白標(biāo)記，修飾組蛋白尾巴中的特定氨基酸。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)領(lǐng)域的一個(gè)核心問題。

“這是一個(gè)非常直接的問題：遺傳精子染色體與改變組蛋白包裝的DNA會(huì)影響后代的基因表達(dá)嗎?答案是肯定的，”她說。

第一作者，Strome實(shí)驗(yàn)室的研究生Kiyomi Kaneshiro領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他說線蟲是研究這個(gè)問題的好模型，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(dòng)物中，組蛋白包裝僅部分保留在精子中。

“關(guān)于組蛋白包裝在人體中的保留程度存在爭(zhēng)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(guān)注父系中的表觀遺傳，因?yàn)榫訉?duì)胚胎的貢獻(xiàn)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(yīng)。

在她的實(shí)驗(yàn)中，Kaneshiro選擇性地從精子染色體中去除特定的組蛋白標(biāo)記，然后用修飾的精子受精卵并研究產(chǎn)生的后代。一個(gè)關(guān)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(guó)和夏威夷的蠕蟲菌株，它們分別進(jìn)化了足夠長(zhǎng)的時(shí)間以積累許多小的遺傳差異(稱為單核苷酸多態(tài)性)。

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，精子染色體失去了一種抑制信號(hào)，通常會(huì)使某些基因在后代的種系(產(chǎn)生卵子和精子的細(xì)胞)中不活躍。Kaneshiro觀察到后代的種系細(xì)胞打開神經(jīng)元基因并開始發(fā)育成神經(jīng)元。“父親是英國(guó)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(xì)胞中的兩個(gè)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(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。”

在這些實(shí)驗(yàn)中去除的特定組蛋白標(biāo)記是在從蠕蟲到果蠅到人類的動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的廣泛研究的表觀遺傳標(biāo)記。“這種標(biāo)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(biāo)記會(huì)影響基因的表達(dá)和發(fā)育。但該研究涉及人工改變精子染色體上的標(biāo)記。還有待理解的是，對(duì)成體生物體的環(huán)境影響如何改變其生殖細(xì)胞中的表觀遺傳標(biāo)記，使得這些環(huán)境影響可能傳遞給后代。

“我們的研究結(jié)果提出了組蛋白標(biāo)記是跨代表觀遺傳的攜帶者的可能性，”Kaneshiro說。“我們知道有機(jī)體經(jīng)歷的環(huán)境可以改變體細(xì)胞[非種系體細(xì)胞]中的基因表達(dá)模式。如果它改變種系中的基因表達(dá)模式，我們期望這些變化可以遺傳，但我們沒有顯示那個(gè)。“