种系的表观遗传改变传达了对蠕虫后代的避免危险行为

普林斯顿大学领导的研究小组的研究表明，小型蛔虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)如何将复杂的学习回避行为传递给其后代，为年轻人提供了遗传危险条件的机制。在Cell上报道的这项研究表明，摄入致病性铜绿假单胞菌(称为P14)的C. elegans蠕虫很快就学会了避免这种细菌，并且还可以通过一种称为跨代的过程将这种厌恶行为传递给它们的后代。表观遗传(TEI)，但仅限于四代。普林斯顿大学的研究人员Rebecca Moore，博士，Rachel Kaletsky博士和Coleen Murphy博士在一篇题为“Piwi / PRG-1 Argonaute和TGF-β介导Transransal learned pathogenic avoidance。

一些生物的特征完全由其基因决定，这些基因遗传自亲本并通过种系 - 卵和精子传递。其他特征受到与生物体遗传密码硬连接的DNA变异以及可影响基因表达水平的环境因素(如营养，环境压力或温度)的影响。秀丽隐杆线虫例如，通过改变多个基因的表达，将适应饥饿或热应激的条件。这种表观遗传改变可以通过包括改变DNA包装和可接近性的机制在基因组水平上进行，或者通过破坏用于将基因序列翻译成蛋白质模板的RNA转录物来进行。如果在种系水平上进行表观遗传改变，则可以通过TEI过程将其传递给后代。

研究已经表明，秀丽隐杆线虫对热应激或饥饿的适应可以传代多代，但这些都是生理反应。正如作者所写，“......目前尚不清楚复杂的神经行为，如学习和记忆，是否可​​以跨代传承。”为了更加密切地研究这一点，普林斯顿团队专注于秀丽隐杆线虫学习哪种细菌食物的能力来源不安全。蛔虫必须能够在其自然环境中区分营养和有害细菌。事实上，作者指出，大约30%的生物体的天然微生物环境是由假单胞菌属物种组成的，其中一些是致病的。虽然铜绿假单胞菌P14会在接触后数小时或数天内杀死秀丽隐杆线虫，蛔虫最初被吸引到P14，但随后很快学会避免细菌。“在自然环境中，蠕虫与许多不同的细菌物种接触，”墨菲说，他是普林斯顿大学分子生物学系和刘易斯 - 西格勒综合基因组学研究所的教授。“其中一些是有营养的食物来源，而另一些则会感染并杀死它们。蠕虫最初被病原体铜绿假单胞菌吸引，但在感染后，他们学会避免它。否则他们会在几天内死去。“

研究人员的研究表明，这种学习的回避行为可以从父母线虫传给后代，但前提是成虫仍然被P14病原体感染。暴露于病原体释放的气味是不够的。“......致病性学习和病原体避免的跨代遗传需要物理接触和PA14感染，”研究者写道。进一步的实验表明，通过卵子或精子可以实现将P14回避行为传递给子代的能力。

有趣的是，病原体避免的TEI持续了四代后代，并没有进一步发展。第五代后代恢复到幼稚的行为，而不是避免P14 铜绿假单胞菌病原体吸引细菌。

研究还表明，回避行为的TEI对P14具有特异性，而非作为对病原体暴露的普遍反应。C. elegans蠕虫也可以学习避免另一种但不太常见的病原菌粘质沙雷氏菌，但不能将这种回避行为传递给它们的后代。

通过进一步的实验，研究人员发现，P14暴露的蠕虫中TGF-β配体daf -7的表达升高是其后代遗传病原体厌恶所必需的。他们发现daf-7在一种称为ASI神经元的感觉神经元中的表达与遗传性回避行为密切相关。“继承这种学习避免的过程[也]需要小RNA的活动，称为piRNA，”墨菲说。

piRNA与秀丽隐杆线虫中的其他TEI途径有关，在那里它们被认为可以沉默基因表达并间接调节DNA包装。研究人员发现了piRNA相关蛋白PRG-1，而线虫成虫不需要学习避免铜绿假单胞菌，是后代daf-7表达增加和遗传避免行为所必需的。piRNA和PRG-1是否主要在成人，后代或两者中起作用以促进回避行为的继承尚不清楚。然而，重要的是，daf-7的表达在子代的ASI神经元中保持高代四代，然后在第五代中回落到基础水平，这是遗传的回避行为也消失的时候。

因此，如果回避行为给予后代这样的生存优势，“......为什么这种行为不是硬连线，几代后失去TEI回避行为的优势是什么?”作者质疑道。鉴于包含几种非致病性物种的假单胞菌属可能构成秀丽隐杆线虫自然环境的三分之一，作者质疑，事实上，它是否有利于PA14暴露的亲本后代重新获得PA14吸引力在稍后阶段。

为了试图回答这个问题，Moore等人研究了在不同温度下生长的PA14的行为反应，这会影响细菌的毒力。他们发现虽然PA14 在25℃的较高温度下生长时对秀丽隐杆线虫具有致病性，但当该细菌在较低温度下生长时，它更安全，并且可能代表有价值的食物来源。实际上，当环境条件发生变化时，可能需要“忘记”几代后的学习避免，以便让蠕虫在环境条件发生变化时重新吸引到营养丰富的非致病性假单胞菌。“......避免所有假单胞菌的天真避免和无限跨代遗传 物种可能是一种糟糕的长期战略，可能会剥夺动物足够的营养。