Science:表观遗传信息也可以遗传给下一代

来源:学术经纬 / 作者: / 2017-07-24
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表观遗传 (epigenetic) 机制是让诸如饮食、疾病和生活方式等环境因素能够激活或关闭身体中基因的生物机制。长时间以来在科学界一直存在着的争论是在生物体一生中积累的表观遗传性状会不会遗传给下一代。日前,德国马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所 (Max Planck Institute of Immunobiology and Epigenetics) 的研究人员通过对果蝇的研究发现,不仅 DNA 遗传信息可以传给后代,用于调控基因表达的表观遗传信息也可以遗传给后代。而且,这项发表在《科学》杂志上的研究第一次阐述了这些遗传给后代的表观遗传信息的生物学功能。

人体中有超过 250 种细胞,虽然他们拥有完全相同的 DNA, 但是他们的形态和功能迥然不同。这种差异的产生是表观遗传过程的结果。表观遗传修饰能够能够让 DNA 的特定区域吸引或排斥激活基因的蛋白,从而在不同种类的细胞中激活或抑制特定基因的表达。很久以来,科学家们认为生物体一生中积累的表观遗传记忆在卵子和精子的生成过程中会被抹去。但是近年来,科学研究表明表观遗传信息可以传递下一代,但是科学界对这些遗传到下一代的表观遗传信息的功用并不了解。

马克斯·普朗克研究所的研究人员将研究重点放在一种称为 H3K27me3 的表观遗传特征上。H3K27me3 是对组蛋白 (histone) H3 上特定位置赖氨酸 (lysine) 的甲基化修饰。它在包括线虫、果蝇和人类等很多动物中都会出现,主要的作用是抑制基因表达。通过对 H3K27me3 进行免疫荧光染色,研究人员可以追踪 H3K27me3 在生殖细胞、受精卵和胚胎中的分布情况。他们发现果蝇的卵子中富集着 H3K27me3,而且受精卵和发育初期的胚胎中 H3K27me3 依然存在。

为了证明受精卵和胚胎中发现的 H3K27me3 是从母体中遗传下来,而不是受精卵自身重新生成的,研究人员在卵子产生的过程中用反义 RNA 大幅度敲减 (knock down,KD) 了生成 H3K27me3 必须的 E(z) 甲基转移酶。他们发现在 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 的水平并没有减少,这表明这些 H3K27me3 是从母体中遗传下来的,而不是受精过程中重新产生的。但是随着受精卵的细胞分裂,E(z)-KD 受精卵中的 H3K27me3 会迅速丢失,说明从卵子中获得的 E(z) 对维持 H3K27me3 在细胞分裂时的传播非常重要。

果蝇受精卵的早期发育可以分为几个阶段,最初的阶段称为全能核 (totipotent nuclei) 阶段,这时所有的基因转录都是静止的;随后的阶段称为多能核 (pluripotent nuclei) 阶段,这个阶段只有 100 个左右基因开始转录;然后胚胎进入合子基因组激活 (zygotic genome activation, ZGA) 阶段,这时候大部分基因都被激活。运用染色体免疫沉淀测序技术 (chromosome immunoprecipitation sequencing, ChIP-seq),研究人员分析了 H3K27me3 在染色体上的分布。他们发现在这些胚胎发育阶段,H3K27me3 集中出现在染色体的特定区域上,这意味着在胚胎自身基因转录开始之前,表观遗传调控已经开始了。而在 E(z)-KD 胚胎中,这些特定的 H3K27me3 聚集特征都不会出现。那么这些胚胎早期的表观遗传调控的作用是什么呢?

在 ZGA 开始之后,E(z)-KD 胚胎开始能够重新表达 E(z) mRNA 和蛋白,但是所有的 E(z)-KD 胚胎都无法完成正常胚胎发育。很多晚期 E(z)-KD 胚胎出现的问题显示出胚胎的 Hox 基因调控失常。而 Hox 基因家族在染色体上的位置恰恰是 ZGA 开始前 H3K27me3 聚集的区域之一。这些结果表明从母体中遗传下来的 H3K27me3 和 E(z) 蛋白对后期发育时 Hox 基因的调控必不可少。在 ZGA 发生前 H3K27me3 和 E(z) 蛋白的缺失造成的影响也无法由 ZGA 发生后合子表达的 E(z) 来弥补。

进一步的研究发现,在 E(z)-KD 胚胎中另外一种称为 H3K27ac 的激活基因表达的表观遗传修饰增多。被 H3K27ac 修饰的区域与有些被 H3K27me3 修饰的区域相重合。而且 H3K27ac 激活的基因中有很多与胚胎发育中的重要过程相关,这些基因通常在胚胎发育后期才会被激活,但是在 E(z)-KD 胚胎中它们却被过早地激活了。这种过早的基因表达可能是 E(z)-KD 胚胎无法正常发育的主要原因。因此,从母体遗传的 H3K27me3 可以通过抑制 H3K27ac 的产生对基因表达进行微调,从而避免基因被过早激活。

研究人员们相信,他们的研究结果会具有更为深远的影响。“我们的研究表明孩子从父母那里不止继承了基因。他们同时还继承了一套重要的基因调控机制。这一机制会受到环境和个人生活方式的影响。这些发现为某些获得性环境适应 (acquired environmental adaptation) 能够传递到下一代的现象提供了理论基础。”文章的资深作者,马克斯·普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所染色质调控系的 Nicola Iovino 博士说。而且,扰乱表观遗传机制可能导致癌症、糖尿病和自身免疫疾病等病症,这些新发现可能对人类健康具有重要意义。

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换一换

我相信是严肃的文章。相信后按照这个去做一段时间。

真的有这种药上市了吗?患者到哪里医治

这题目取得,直接说让人类灭亡得了

是不是要多吃酸奶,使肠道菌群合理

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