對(duì)人群和動(dòng)物模型的研究表明，父親的飲食或環(huán)境壓力等經(jīng)歷會(huì)影響其后代的健康和發(fā)育。然而，這些影響如何在幾代人之間傳播仍然是神秘的。蘇珊斯特羅姆在加州大學(xué)圣克魯茲分校的實(shí)驗(yàn)室在揭示這一現(xiàn)象背后的機(jī)制方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展，使用一種名為秀麗隱桿線蟲(chóng)的小蛔蟲(chóng)來(lái)顯示影響基因表達(dá)的染色體上的標(biāo)記，稱為“表觀遺傳”標(biāo)記，可以從父母?jìng)鬟f到后代。她的團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表的論文于10月17日在Nature Communications上發(fā)表，專(zhuān)注于秀麗隱桿線蟲(chóng) 精子傳播的表觀遺傳標(biāo)記。

除了記錄的傳輸后生內(nèi)存精子，新的研究表明，表觀遺傳信息的精子輸送到胚胎是必要的和足夠的指導(dǎo)胚的正常發(fā)育細(xì)胞的子代(生殖細(xì)胞產(chǎn)生精子和卵子)。“我們決定研究秀麗隱桿線蟲(chóng)，因?yàn)樗鞘褂脧?qiáng)大的遺傳方法詢問(wèn)表觀遺傳問(wèn)題的一個(gè)很好的模型，”分子，細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)的杰出教授斯托姆說(shuō)。

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。這些修飾影響基因表達(dá)，在不同細(xì)胞和不同發(fā)育階段打開(kāi)或關(guān)閉基因。表觀遺傳修飾可以引起從一代傳遞到下一代的基因表達(dá)變化的觀點(diǎn)，被稱為“跨代表觀遺傳”，現(xiàn)在是激烈的科學(xué)研究的焦點(diǎn)。

多年來(lái)，人們認(rèn)為精子不會(huì)保留任何組蛋白包裝，因此無(wú)法將基于組蛋白的表觀遺傳信息傳遞給后代。然而，最近的研究表明，大約10%的組蛋白包裝保留在人類(lèi)和小鼠精子中。

“此外，染色體保留DNA的組蛋白包裝位于發(fā)育重要區(qū)域，因此這些發(fā)現(xiàn)提高了人們對(duì)精子可能將重要的表觀遺傳信息傳遞給胚胎的可能性的認(rèn)識(shí)，”Strome說(shuō)。當(dāng)她的實(shí)驗(yàn)室觀察秀麗隱桿線蟲(chóng)的精子時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)精子基因組完全保留了組蛋白包裝。其他研究人員發(fā)現(xiàn)另一種常被研究的生物斑馬魚(yú)也是如此。“像斑馬魚(yú)一樣，蠕蟲(chóng)代表著精子保留組蛋白的極端形式，這使得它們成為一個(gè)很好的系統(tǒng)，可以看出這種包裝是否真的很重要，”Strome說(shuō)。

她的實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)注于特定的表觀遺傳標(biāo)記(稱為H3K27me3)，該標(biāo)記已成為廣泛生物體中抑制基因表達(dá)的標(biāo)志。研究人員發(fā)現(xiàn)，從精子染色體上除去這個(gè)標(biāo)記會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)后代無(wú)菌。確定該標(biāo)記很重要后，他們想看看它是否足以指導(dǎo)正常的種系發(fā)育。

研究人員通過(guò)分析一種突變體蠕蟲(chóng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，其中精子和卵子的染色體在受精后的第一個(gè)細(xì)胞分裂中被分離，因此胚胎的一個(gè)細(xì)胞僅遺傳精子染色體而另一個(gè)細(xì)胞只遺傳卵子染色體(通常，每個(gè)胚胎細(xì)胞從卵子和精子中遺傳染色體。這種不尋常的染色體分離模式使研究人員能夠產(chǎn)生蠕蟲(chóng)，其種系只遺傳了精子染色體，因此只有精子表觀遺傳標(biāo)記。這些蠕蟲(chóng)病毒變得肥沃，具有正常的基因表達(dá)模式。

“這些研究結(jié)果表明，精子中的DNA包裝很重要，因?yàn)闆](méi)有遺傳正常精子表觀遺傳標(biāo)記的后代是無(wú)菌的，并且它足以進(jìn)行正常的種系發(fā)育，”Strome說(shuō)。

雖然研究表明精子傳播的表觀遺傳信息對(duì)于正常發(fā)育非常重要，但它沒(méi)有直接解決父親的生活經(jīng)歷如何影響其后代的健康。Strome的實(shí)驗(yàn)室正在通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究這個(gè)問(wèn)題，其中蠕蟲(chóng)在再生之前用酒精治療或饑餓。

“目標(biāo)是分析染色質(zhì)包裝在父母中的變化，”她說(shuō)。“無(wú)論被傳遞給后代要經(jīng)過(guò)的生殖細(xì)胞。我們想知道哪些細(xì)胞經(jīng)歷的環(huán)境因素，他們是如何將該信息傳送到生殖細(xì)胞，在什么樣的變化生殖細(xì)胞，以及如何影響后代“。

通過(guò)證明精子攜帶的表觀遺傳信息的重要性，目前的研究表明，如果父親所經(jīng)歷的環(huán)境改變精子染色體的表觀遺傳學(xué)，它可能會(huì)影響后代。