研究人员追踪精子染色体携带的表观遗传标记的影响

随着生物体的生长和对其环境的响应，其细胞中的基因不断地打开和关闭，在不同细胞中具有不同的基因表达模式。但基因表达的变化是否可以从父母传给子女和后代?尽管这种被称为“跨代表观遗传继承”的现象的间接证据正在增长，但它仍然存在争议，因为它背后的机制是如此神秘。

现在UC Santa Cruz的研究人员已经证明，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。他们的研究发表在3月20日的“自然通讯”杂志上，涉及一系列使用线虫蠕虫秀丽隐杆线虫的聪明实验。

表观遗传变化不会改变基因的DNA序列，而是涉及对DNA本身或DNA包装在染色体中的组蛋白的化学修饰。这些修饰或“标记”改变基因表达，打开或关闭基因。

在秀丽隐杆线虫的实验中，加州大学圣克鲁兹分校Susan Strome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。分子，细胞和发育生物学教授斯托姆说，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：遗传精子染色体与改变组蛋白包装的DNA会影响后代的基因表达吗?答案是肯定的，”她说。

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许多小的遗传差异(称为单核苷酸多态性)。

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(产生卵子和精子的细胞)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。“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。”

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[非种系体细胞]中的基因表达模式。如果它改变种系中的基因表达模式，我们期望这些变化可以遗传，但我们没有显示那个。“