Science：表觀遺傳的跨代傳遞

日期：2014-09-19 09:03:56

越來越多的證據(jù)表明，環(huán)境壓力可以造成基因表達發(fā)生改變，而這些改變可以從父母處傳遞給他們的后代，這使得“表觀遺傳學(xué)”成為了一個熱門話題（延伸閱讀：Science：祖母的表觀遺傳“原罪” ）。表觀遺傳修飾不會影響基因的DNA序列，但卻可以改變DNA的包裝以及基因的表達方式。現(xiàn)在來自加州大學(xué)圣克魯茲分校的科學(xué)家們在一項研究中揭示了表觀遺傳記憶跨代遺傳以及在發(fā)育過程中在細胞間傳遞的機制。

這項發(fā)表在9月19日《科學(xué)》（Science）雜志上的研究，將焦點放在了一種得到充分研究的表觀遺傳修飾——組蛋白H3甲基化上。眾所周知，組蛋白H3上的一個特定氨基酸（第27位的賴氨酸）甲基化可以關(guān)閉或“抑制”基因，這種表觀遺傳標(biāo)記存在于從人類到微小線蟲所有的多細胞動物中。

“對于這一甲基化標(biāo)記是否可以通過細胞分裂以及跨代進行傳遞一直存在爭議，現(xiàn)在我們證實了確實可以，”論文的通訊作者、加州大學(xué)圣克魯茲分校的分子、細胞核發(fā)育生物學(xué)教授Susan Strome說。

Strome實驗室構(gòu)建出了攜帶一種突變的線蟲，這種突變除去了負責(zé)生成這一甲基化標(biāo)記的酶，然后他們將這些線蟲與正常的線蟲交配。利用熒光標(biāo)記，他們能夠在顯微鏡下追蹤從卵細胞和精子到受精后分裂的胚胎細胞中標(biāo)記和未標(biāo)記染色體的命運。突變卵細胞與正常精子受精生成的胚胎有6條甲基化的染色體（來自于精子）和6條無標(biāo)記的染色體（來自卵子）。

隨著胚胎的發(fā)育，細胞復(fù)制它們的染色體并進行分裂。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一條標(biāo)記染色體復(fù)制時，兩條子染色體也被標(biāo)記。但是沒有組蛋白甲基化所需的酶，隨著細胞分裂這些標(biāo)記逐漸稀釋。

Strome 說：“這種標(biāo)記持續(xù)存在于由初始具有這種標(biāo)記的染色體衍生的染色體上，但子染色體沒有完全負載足夠的標(biāo)記。因此在單細胞胚胎中標(biāo)記是明亮的，在細胞分裂后亮度變淡了些，在4細胞胚胎中光亮暗淡，到24-48細胞時我們就看不到它了。”

研究人員隨后完成了相反的實驗，讓正常的卵細胞與突變精子受精。PRC2甲基化酶存在于卵細胞，但不存在于精子中。因此新實驗中的胚胎仍然有6條無標(biāo)記的染色體（這次來自精子）和6條有標(biāo)記的染色體，但現(xiàn)在它們還有PRC2酶。

Strome 說：“值得注意的是，當(dāng)我們觀察通過細胞分裂的染色體時，看到在一次又一次的細胞分裂之后標(biāo)記染色體仍然有標(biāo)記且保持明亮，因為這些酶不斷地在恢復(fù)這種標(biāo)記，但無標(biāo)記的染色體保持著無標(biāo)記。這表明這種遺傳的標(biāo)記模式通過多次細胞分裂被傳遞。”

Strome指出，在這項研究中有關(guān)線蟲組蛋白甲基化傳遞的研究發(fā)現(xiàn)對于其他的生物也具有重要的意義，盡管不同的生物在發(fā)育過程中不同的方面利用研究的這種抑制標(biāo)記調(diào)控了不同的基因。所有的動物都利用相同的酶來構(gòu)建了同樣的甲基化標(biāo)記作為一種基因抑制信號，她的從事小鼠和人類表觀遺傳研究的同事們對這些新發(fā)現(xiàn)感到非常興奮。

“跨代表觀遺傳是一個尚未解決的領(lǐng)域——它處于不斷變化之中。有數(shù)十個潛在的表觀遺傳標(biāo)記。在一些證實了親子表觀遺傳的研究中，還不清楚傳遞了什么，從分子水平上理解它非常的復(fù)雜。我們獲得了表觀遺傳記憶傳遞的一個具體例子，我們可以在顯微鏡下看到它，這是拼圖中的一塊。”