研究人员追踪精子染色体携带的表观遗传标记的影响

随着生物体的生长及其对环境的反应，其细胞中的基因不断地被开启和关闭，不同的细胞中有不同的基因表达模式。但是基因表达的变化能从父母传给孩子和后代吗？尽管这种被称为“交叉代表遗传”的现象的间接证据越来越多，但它仍然有争议，因为它背后的机制太神秘了。

现在加州大学圣克鲁斯分校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基因表达和后代发育的变化。他们的研究发表在3月20日的《自然通讯》上，包括一系列利用秀丽隐杆线虫的巧妙实验。表观遗传改变并不改变基因的DNA序列，而是涉及DNA本身或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，开启或关闭基因。

在秀丽隐杆线虫的实验中，加州大学圣克鲁斯分校苏珊斯特罗姆实验室的研究人员专注于组蛋白标记，以修饰组蛋白尾部的特定氨基酸。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的一个核心问题。

“这是一个非常直接的问题：改变组蛋白包装的遗传精子染色体和DNA会影响后代的基因表达吗？答案是肯定的，”她说。第一位作者清见金城武是斯特罗姆实验室的研究生，他领导了这项研究。他说，线虫是研究这个问题的一个很好的模型，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。

金城武说：“组蛋白包装在人体内的保留程度存在争议，但我们知道它保留在基因组的一些重要发育区域。研究人员一直关注父系中的表观遗传学，因为精子对胚胎的贡献大于胚胎。卵子含有许多其他可能影响胚胎发育的成分，这使得在母系中更难理清表观遗传效应。

在她的实验中，金城武选择性地从精子染色体上去除特定的组蛋白标记，然后用修饰过的精子使卵子受精，并研究产生的后代。一个关键的创新是使用了来自两种不同秀丽隐杆线虫的精子和卵子，这使得金城武能够区分从精子和卵子遗传的染色体。她选择了来自英国和夏威夷的蠕虫病毒株，它们进化的时间足够长，可以积累许多小的遗传差异(称为单核苷酸多态性)。

“父亲是英国人，母亲是夏威夷人。它们之间有足够的差异，所以我们可以区分它们后代细胞中的两个父代基因组，”金城武说。“通过这个杂交系统，我们可以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，精子染色体失去一种抑制信号，这通常会使一些基因在后代生殖系(产生卵子和精子的细胞)中失活。金城武观察到，后代的生殖细胞开启神经元基因，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广泛研究的表观遗传标记，在从蠕虫到果蝇到人类的动物中发现。“这种标记存在于人类精子染色体上的组蛋白中，”金城武说。

新发现表明遗传的表观遗传标记会影响基因表达和发育。然而，这项研究涉及人工改变精子染色体上的标记。环境对成年生物的影响如何改变其生殖细胞中的表观遗传标记，从而这些环境影响可能会传递给后代，这还有待了解。

“我们的结果表明组蛋白标记是交叉代表性遗传的载体，”金城武说。“我们知道，生物体经历的环境可以改变体细胞[无生殖体细胞]中的基因表达模式。如果它改变了种系中的基因表达模式，我们预计这些变化是可遗传的，但我们没有表明这一点。”

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