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表觀遺傳信息也可以遺傳給下一代

發(fā)布時(shí)間：2017-07-24

表觀遺傳 (epigenetic) 機(jī)制是讓諸如飲食、**和生活方式等環(huán)境因素能夠激活或關(guān)閉身體中基因的生物機(jī)制。長時(shí)間以來在科學(xué)界一直存在著的爭(zhēng)論是在生物體一生中積累的表觀遺傳性狀會(huì)不會(huì)遺傳給下一代。日前，德國馬克斯·普朗克**生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)研究所(Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics) 的研究人員通過對(duì)果蠅的研究發(fā)現(xiàn)，不僅DNA遺傳信息可以傳給后代，用于調(diào)控基因表達(dá)的表觀遺傳信息也可以遺傳給后代。而且，這項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究**次闡述了這些遺傳給后代的表觀遺傳信息的生物學(xué)功能。

人體中有超過250種細(xì)胞，雖然他們擁有完全相同的DNA，但是他們的形態(tài)和功能迥然不同。這種差異的產(chǎn)生是表觀遺傳過程的結(jié)果。表觀遺傳修飾能夠能夠讓DNA的特定區(qū)域吸引或排斥激活基因的蛋白，從而在不同種類的細(xì)胞中激活或抑制特定基因的表達(dá)。很久以來，科學(xué)家們認(rèn)為生物體一生中積累的表觀遺傳記憶在卵子和精子的生成過程中會(huì)被抹去。但是近年來，科學(xué)研究表明表觀遺傳信息可以傳遞下一代，但是科學(xué)界對(duì)這些遺傳到下一代的表觀遺傳信息的功用并不了解。

馬克斯·普朗克研究所的研究人員將研究重點(diǎn)放在一種稱為H3K27me3的表觀遺傳特征上。H3K27me3是對(duì)組蛋白(histone) H3上特定位置賴氨酸(lysine)的甲基化修飾。它在包括線蟲、果蠅和人類等很多動(dòng)物中都會(huì)出現(xiàn)，主要的作用是抑制基因表達(dá)。通過對(duì)H3K27me3進(jìn)行**熒光染色，研究人員可以追蹤H3K27me3在生殖細(xì)胞、受精卵和胚胎中的分布情況。他們發(fā)現(xiàn)果蠅的卵子中富集著H3K27me3，而且受精卵和發(fā)育初期的胚胎中H3K27me3依然存在。

為了證明受精卵和胚胎中發(fā)現(xiàn)的H3K27me3是從母體中遺傳下來，而不是受精卵自身重新生成的，研究人員在卵子產(chǎn)生的過程中用反義RNA大幅度敲減 (knock down，KD) 了生成H3K27me3必須的E(z)甲基轉(zhuǎn)移酶。他們發(fā)現(xiàn)在E(z) mRNA和蛋白水平都大幅度降低（E(z)-KD) 的早期受精卵中，H3K27me3的水平并沒有減少，這表明這些H3K27me3是從母體中遺傳下來的，而不是受精過程中重新產(chǎn)生的。但是隨著受精卵的細(xì)胞分裂，E(z)-KD受精卵中的H3K27me3會(huì)迅速丟失，說明從卵子中獲得的E(z)對(duì)維持H3K27me3在細(xì)胞分裂時(shí)的傳播非常重要。

果蠅受精卵的早期發(fā)育可以分為幾個(gè)階段，*初的階段稱為全能核(totipotent nuclei)階段，這時(shí)所有的基因轉(zhuǎn)錄都是靜止的；隨后的階段稱為多能核(pluripotent nuclei)階段，這個(gè)階段只有100個(gè)左右基因開始轉(zhuǎn)錄；然后胚胎進(jìn)入合子基因組激活(zygotic genome activation， ZGA) 階段，這時(shí)候大部分基因都被激活。運(yùn)用染色體**沉淀測(cè)序技術(shù)(chromosome immunoprecipitation sequencing， ChIP-seq)，研究人員分析了H3K27me3在染色體上的分布。他們發(fā)現(xiàn)在這些胚胎發(fā)育階段，H3K27me3集中出現(xiàn)在染色體的特定區(qū)域上，這意味著在胚胎自身基因轉(zhuǎn)錄開始之前，表觀遺傳調(diào)控已經(jīng)開始了。而在E(z)-KD胚胎中，這些特定的H3K27me3聚集特征都不會(huì)出現(xiàn)。那么這些胚胎早期的表觀遺傳調(diào)控的作用是什么呢？

在ZGA開始之后，E(z)-KD胚胎開始能夠重新表達(dá)E(z) mRNA和蛋白，但是所有的E(z)-KD胚胎都無法完成正常胚胎發(fā)育。很多晚期E(z)-KD胚胎出現(xiàn)的問題顯示出胚胎的Hox基因調(diào)控失常。而Hox基因家族在染色體上的位置恰恰是ZGA開始前H3K27me3聚集的區(qū)域之一。這些結(jié)果表明從母體中遺傳下來的H3K27me3和E(z)蛋白對(duì)后期發(fā)育時(shí)Hox基因的調(diào)控必不可少。在ZGA發(fā)生前H3K27me3和E(z)蛋白的缺失造成的影響也無法由ZGA發(fā)生后合子表達(dá)的E(z)來彌補(bǔ)。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在E(z)-KD胚胎中另外一種稱為H3K27ac的激活基因表達(dá)的表觀遺傳修飾增多。被H3K27ac修飾的區(qū)域與有些被H3K27me3修飾的區(qū)域相重合。而且H3K27ac激活的基因中有很多與胚胎發(fā)育中的重要過程相關(guān)，這些基因通常在胚胎發(fā)育后期才會(huì)被激活，但是在E(z)-KD胚胎中它們卻被過早地激活了。這種過早的基因表達(dá)可能是E(z)-KD胚胎無法正常發(fā)育的主要原因。因此，從母體遺傳的H3K27me3可以通過抑制H3K27ac的產(chǎn)生對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行微調(diào)，從而避免基因被過早激活。

研究人員們相信，他們的研究結(jié)果會(huì)具有更為深遠(yuǎn)的影響?！拔覀兊难芯勘砻骱⒆訌母改改抢锊恢估^承了基因。他們同時(shí)還繼承了一套重要的基因調(diào)控機(jī)制。這一機(jī)制會(huì)受到環(huán)境和個(gè)人生活方式的影響。這些發(fā)現(xiàn)為某些獲得性環(huán)境適應(yīng) (acquired environmental adaptation) 能夠傳遞到下一代的現(xiàn)象提供了理論基礎(chǔ)?！蔽恼碌?*作者，馬克斯·普朗克**生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)研究所染色質(zhì)調(diào)控系的Nicola Iovino博士說。而且，擾亂表觀遺傳機(jī)制可能導(dǎo)致癌癥、糖尿病和自身****等病癥，這些新發(fā)現(xiàn)可能對(duì)人類健康具有重要意義。

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表觀遺傳信息也可以遺傳給下一代