Science:人出生时自带“出厂说明书”

来源:生物通 / 作者: / 2017-07-21
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图片中央是雌性果蝇的卵细胞,中间显示绿色荧光的是 H3K27me3,右上角是正在融合的父系、母系前体细胞核

人体中至少存在 250 种不同类型的细胞。它们虽然携带顺序完全相同的 DNA 碱基序列,但肝脏细胞和神经细胞咋就看起来不太一样呢?

造成这种差异的原因是表观遗传学程序。表观遗传学修饰能标记 DNA 的特定区域,吸引或驱赶能激活基因的蛋白质。每一类细胞都有一套专属的基因表达激活模式。与固定的 DNA 遗传代码不同,表观遗传标记还会随生活环境或方式改变。例如,吸烟行为通过改变肺细胞的表观遗传组分,最终引发癌症。外界压力、疾病或饮食等刺激因素都会储存在细胞的表观遗传记忆中。

科学界一直争论不休,个体在整个生命中积累的表观遗传修饰是否能跨越世代边界,传递给孩子,甚至孙子。瑞士 Max Planck 免疫生物学和表观遗传学研究所最近在《Science》发表文章,证明后代不仅能继承 DNA 本身,还能继承表观遗传指示,这些表观遗传修饰像“出厂说明书”一般指导后代基因表达。

Nicola Iovino 实验室首次直观地向人们展示了继承信息的生物学因果,证明母亲的表观遗传学记忆对新一代的发育和生存至关重要。

长久以来,人们认为表观遗传修饰从未踏出过世代交替的隔阂。精子与卵细胞结合后,整个生命中积累的表观遗传记忆就被完全清除。近期一些研究结果表明,表观遗传标记确实可以代代相传。

“早在 90 年代初,人们就已经看到了表观遗传信息的代际遗传。例如一些流行病学研究显示,爷爷的食物供应与孙辈患糖尿病和心血管疾病的风险呈显著相关。从此,不同机体的代际遗传发现此起彼伏,但直到今天其中的分子机制仍不得而知,”文章通讯作者 Nicola Iovino 说道。

在本文中,Iovino 团队用果蝇探讨了母亲传递给胚胎的表观遗传修饰效应。他们变化了一个特殊的修饰,这是一种在人类身上也被发现了的特定修饰,名为 H3K27me3,主要与核 DNA 压缩和抑制基因表达有关。

Max Planck 的研究人员先修改了雌果蝇卵细胞染色质 DNA 上的 H3K27me3 标记,再检测受精胚胎的表观遗传标记,发现其他表观遗传被抹除了,但修改后的 H3K27me3 依然可以被检测到。文章一作、Fides Zenk 解释说:“这说明母亲可以把她的表观遗传标记传给后代,并且这些标记对胚胎很重要。”

研究人员使用了多种遗传工具,通过移除 H3K27me3 标记附近的蛋白酶和缺乏 H3K27me3 的胚胎等方式,发现缺乏 H3K27me3 的早期胚胎发育出现停滞,最终导致了胚胎死亡。Nicola Iovino 说:“这个证据表明,表观遗传标记对胚胎自身发育具有重要作用。”

缺乏 H3K27me3 的胚胎基因检测结果显示,早期发育阶段本应该处于关闭状态的几个关键发育基因却呈现开启状态。“我们推测这些基因被过早地激活了,”Fides Zenk 解释道。

综上,这项研究清楚地显示了表观遗传信息发生改变后的生物学后果。不仅为“表观遗传修饰可以代代相传”提供了直接证据,而且还揭示了从母亲方面带来的表观遗传标记指导早期胚胎发育复杂过程的微调机制。

“我们不仅继承了父母的基因,还继承了他们的基因微调机器。这是一个更确切的信号,人们从后天环境中获得的部分表观遗传学信息可以通过生殖传递给后代。受损的表观遗传学机制可能导致癌症、糖尿病和自身免疫性疾病,这些更具体的发现将指导人类健康生活。”

原文标题:Germ line-inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition

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