精子染色体上的表观遗传标记影响后代的基因表达

加州大学圣克鲁兹分校的科学家们表示，他们已经证明父母精子染色体携带的表观遗传信息可以引起后代基因表达和发育的变化。3月20日在Nature Communications上发表的他们的研究(“精子遗传的H3K27me3影响秀丽隐杆线虫的后代转录和发育”)涉及使用线虫C.线虫的一系列实验。

在秀丽隐杆线虫的实验中，Susan Strome博士实验室的研究人员专注于组蛋白标记，修饰组蛋白尾巴中的特定氨基酸。Strome是一位分子，细胞和发育生物学教授，他说这项新研究解决了表观遗传学领域的一个核心问题。

“这是一个非常直接的问题：遗传精子染色体的DNA组蛋白包装是否会影响后代的基因表达?答案是肯定的，“她说。

“父系表观遗传因其日益增长的医学相关性而备受关注。然而，父系表观遗传信息传递给后代的形式以及它如何影响后代的发展仍然知之甚少。在这里，我们表明，在秀丽隐杆线虫中，精子遗传的染色质状态传递给后代的原始生殖细胞影响种系的转录和发育，“研究者写道。

“我们发现缺乏抑制性组蛋白修饰H3K27me3的遗传的精子染色体通过H3K36me3拮抗作用维持在该状态。缺乏精子染色体的H3K27me3的遗传导致体细胞基因，特别是神经元基因的种系中的去阻遏，主要来自精子遗传的等位基因。这导致生殖细胞失去其生殖细胞特性并采用神经元命运。这些数据表明，组蛋白修饰是一种机制，通过这种机制，父亲的表观遗传信息可以塑造后代基因的表达和发育。“

第一作者，Strome实验室的研究生Kiyomi Kaneshiro领导了这项研究，他说线虫是研究这个问题的好模型，因为组蛋白包装完全保留在蠕虫的精子染色体中。在人类和其他哺乳动物中，组蛋白包装仅部分保留在精子中。

“关于组蛋白包装在人体中的保留程度存在争议，但我们知道它保留在基因组的一些发育重要区域，”Kaneshiro说。

研究人员一直关注父系中的表观遗传，因为精子对胚胎的贡献比胚胎更多。鸡蛋含有许多可能影响胚胎发育的其他成分，使得更难以梳理出母系中的表观遗传效应。

在她的实验中，Kaneshiro选择性地从精子染色体中去除特定的组蛋白标记，然后用修饰的精子受精卵并研究产生的后代。一个关键的创新是使用来自两种不同的秀丽隐杆线虫的精子和卵子，这使得Kaneshiro能够区分从精子遗传的染色体和从卵子遗传的染色体。她选择了来自英国和夏威夷的蠕虫菌株，它们分别进化了足够长的时间以积累单核苷酸多态性。

“父亲是英国人，母亲是夏威夷人，他们之间有足够的差异，我们可以区分他们后代细胞中的两个亲本基因组，”Kaneshiro说。“通过这种混合系统，我们能够看到基因表达的差异，这是精子染色体上组蛋白标记变化的直接结果。”

此外，基因表达的这些变化具有发育后果。随着组蛋白标记的去除，精子染色体失去了一种抑制信号，通常会使某些基因在后代的种系中不活跃。Kaneshiro观察到后代的种系细胞打开神经元基因并开始发育成神经元。

在这些实验中去除的特定组蛋白标记是在从蠕虫到果蝇到人类的动物中发现的广泛研究的表观遗传标记。“这种标记存在于人类精子染色体上的组蛋白上，”Kaneshiro说。

新发现表明，遗传的表观遗传标记会影响基因的表达和发育。但该研究涉及人工改变精子染色体上的标记。还有待理解的是，对成体生物体的环境影响如何改变其生殖细胞中的表观遗传标记，使得这些环境影响可能传递给后代。

“我们的研究结果提出了组蛋白标记是跨代表观遗传的携带者的可能性，”Kaneshiro说。“我们知道有机体经历的环境可以改变体细胞中的基因表达模式。如果它改变了种系中的基因表达模式，我们预计这些变化可以被遗传，但我们还没有表现出来。“