研究人員追蹤精子染色體攜帶的表觀遺傳標(biāo)記的影響

隨著生物體的生長(zhǎng)及其對(duì)環(huán)境的反應(yīng)，其細(xì)胞中的基因不斷地被開(kāi)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?jìng)鹘o孩子和后代嗎？盡管這種被稱(chēng)為“交叉代表遺傳”的現(xiàn)象的間接證據(jù)越來(lái)越多，但它仍然有爭(zhēng)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(chóng)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(kāi)啟或關(guān)閉基因。

在秀麗隱桿線蟲(chóng)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(zhuān)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(shuō)，這項(xiàng)新研究解決了表觀遺傳學(xué)的一個(gè)核心問(wèn)題。

“這是一個(gè)非常直接的問(wèn)題：改變組蛋白包裝的遺傳精子染色體和DNA會(huì)影響后代的基因表達(dá)嗎？答案是肯定的，”她說(shuō)。第一位作者清見(jiàn)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(shuō)，線蟲(chóng)是研究這個(gè)問(wèn)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(chóng)的精子染色體中。在人類(lèi)和其他哺乳動(dòng)物中，組蛋白包裝僅部分保留在精子中。

金城武說(shuō)：“組蛋白包裝在人體內(nèi)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?duì)胚胎的貢獻(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(guò)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(lái)自?xún)煞N不同秀麗隱桿線蟲(chóng)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(lái)自英國(guó)和夏威夷的蠕蟲(chóng)病毒株，它們進(jìn)化的時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以積累許多小的遺傳差異(稱(chēng)為單核苷酸多態(tài)性)。

“父親是英國(guó)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(shuō)。“通過(guò)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(hào)，這通常會(huì)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(kāi)啟神經(jīng)元基因，開(kāi)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(chóng)到果蠅到人類(lèi)的動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)?！斑@種標(biāo)記存在于人類(lèi)精子染色體上的組蛋白中，”金城武說(shuō)。

新發(fā)現(xiàn)表明遺傳的表觀遺傳標(biāo)記會(huì)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(duì)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(huì)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(shuō)。“我們知道，生物體經(jīng)歷的環(huán)境可以改變體細(xì)胞[無(wú)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(méi)有表明這一點(diǎn)。”

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