研究人员追踪精子染色体携带的表观遗传标记的影响

随着生物的生长和对环境的反应，其细胞中的基因不断开启和关闭，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递给孩子和后代吗？尽管这种被称为“交叉表征遗传”的现象的间接证据越来越多，但仍然存在争议，因为其背后的机制是如此神秘。

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会导致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》杂志上，包括一系列使用线虫的巧妙实验。表观遗传改变并不改变基因的DNA序列，而是涉及DNA本身或染色体中包装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，加州大学圣克鲁斯分校Susan Strome实验室的研究人员专注于组蛋白标记和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表示，这项新研究解决了表观遗传学领域的一个核心问题。

“这是一个很直接的问题：遗传精子染色体和改变组蛋白包装的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，组蛋白包装仅部分存在于精子中。

“关于组蛋白包装在人体内的保留程度存在争议，但我们知道它仍然存在于基因组发展的一些重要领域，”Kaneshiro说。研究人员一直关注父系的表观遗传学，因为精子对胚胎的贡献大于胚胎。鸡蛋含有许多其他可能影响胚胎发育的成分，这使得在母系中整理表观遗传效应变得更加困难。

在她的实验中，Kaneshiro选择性地从精子染色体中移除特定的组蛋白标记，然后用经过修饰的精子使卵子受精，并研究后代。一项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Kaneshiro能够区分从精子和卵子继承的染色体。她选择了来自英国和夏威夷的蠕虫菌株，这些菌株进化了足够长的时间，积累了许多微小的遗传差异(称为单核苷酸多态性)。

“父亲是英国人，母亲是夏威夷人。他们之间有足够的差异，我们可以在他们的后代细胞中区分两个父母的基因组，”Kaneshiro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对发育有影响。随着组蛋白标记的去除，精子染色体失去了抑制信号，这通常会使后代的生殖系(产生卵子和精子的细胞)中的一些基因失活。金城武观察到后代的生殖系细胞开启了神经元基因，开始发育成神经元。

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的组蛋白中，”金城武说。

新的发现表明，遗传的表观遗传标记可以影响基因的表达和发育。但是这项研究包括人工改变精子染色体上的标记。仍然需要了解的是，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，以便这些环境影响可以传递给后代。

“我们的结果表明组蛋白标记可能是交叉代表遗传的载体，”金城武说。“我们知道生物体经历的环境可以改变体细胞(非生殖系体细胞)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遗传，但我们没有证明这一点。”

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