加州大學(xué)圣克魯茲分校的科學(xué)家們表示，他們已經(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。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(zhuǎn)錄和發(fā)育”)涉及使用線蟲C.線蟲的一系列實(shí)驗(yàn)。

在秀麗隱桿線蟲的實(shí)驗(yàn)中，Susan Strome博士實(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。Strome是一位分子，細(xì)胞和發(fā)育生物學(xué)教授，他說這項(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：遺傳精子染色體的DNA組蛋白包裝是否會(huì)影響后代的基因表達(dá)?答案是肯定的，“她說。

“父系表觀遺傳因其日益增長的醫(yī)學(xué)相關(guān)性而備受關(guān)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(zhì)狀態(tài)傳遞給后代的原始生殖細(xì)胞影響種系的轉(zhuǎn)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(dǎo)致體細(xì)胞基因，特別是神經(jīng)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(dǎo)致生殖細(xì)胞失去其生殖細(xì)胞特性并采用神經(jīng)元命運(yùn)。這些數(shù)據(jù)表明，組蛋白修飾是一種機(jī)制，通過這種機(jī)制，父親的表觀遺傳信息可以塑造后代基因的表達(dá)和發(fā)育。“

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ε咛サ呢暙I(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。她選擇了來自英國和夏威夷的蠕蟲菌株，它們分別進(jìn)化了足夠長的時(shí)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(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。”

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，通常會(huì)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(xì)胞打開神經(jīng)元基因并開始發(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)這些變化可以被遺傳，但我們還沒有表現(xiàn)出來。“