在线虫实验中，研究人员发现精子染色体上的表观遗传标记会影响后代的基因表达和发育。
当一个生物体生长并适应环境时，其细胞中的基因不断地开关，在不同的细胞中有不同的基因表达模式。但是基因的表达变化能从父母传给子女和后代吗？虽然这一现象的间接证据，称为“跨代表观遗传”，正在增加，但它仍然有争议，因为背后的机制太神秘。
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可以引起后代基因表达和发育变化。他们的研究发表在3月20日的Nature Communications上，包括一系列线虫模型的清晰实验。
表观遗传的改变不会改变基因的DNA序列，而是涉及到对染色体中组蛋白或DNA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。
在他们对线虫的实验中，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修饰、组蛋白尾部特定氨基酸的修饰。Strome是分子、细胞和发育生物学教授，他说这项新研究解决了表观遗传学领域的一个核心问题。
“这是一个非常直接的问题：精子染色体中组装DNA的组蛋白修饰改变会影响后代的基因表达吗？答案是会影响的，”她说。
文章第一作者Kiyomi Kaneshiro是Strome实验室的研究生，他主导了这项研究，他说线虫是研究这个问题的一个很好的模型，因为组蛋白修饰完全保留在线虫的精子染色体中。在人类和其他哺乳动物中，组蛋白修饰仅部分保留在精子中。
“关于组蛋白修饰在人类体内保留了多少仍存在争议，但我们知道它被保留在基因组的一些重要的发育区域，”Kaneshiro说。
研究人员关注父系的表观遗传，因为染色体是精子对胚胎的主要贡献。相反，卵内含有许多其他可能影响胚胎发育的成分，这使得很难梳理出母系的表观遗传效应。
在她的实验中，Kaneshiro选择性地从精子染色体上去除了一个特定的组蛋白修饰，然后用修改过的精子使卵子受精，并研究了由此产生的后代。一个关键的创新是使用两种不同的线虫品系的精子和卵，这使得Kaneshiro能够区分从精子遗传的染色体和从卵遗传的染色体。她选择了来自英国和夏威夷的线虫，这些线虫独立进化的时间足以积累许多小的遗传差异（称为单核苷酸多态性）。
“父本是英国的，母本是夏威夷的，它们之间有足够的差异，我们可以区分它们后代细胞中的两个亲本基因组，”Kaneshiro说。“通过这个杂交系统，我们能够看到精子染色体组蛋白修饰变化所引起的基因表达差异。”
此外，这些基因表达的变化也会对发育产生影响。随着组蛋白修饰的去除，精子染色体失去了一种抑制性信号，这种信号通常会阻止某些基因在后代生殖细胞（产生卵子和精子的细胞）中的活性。Kaneshiro观察到后代的生殖细胞启动神经元基因并开始发育成神经元。
在这些实验中去除的特殊组蛋白修饰是一种广泛研究的表观遗传标记，在从线虫到果蝇到人类的动物身上都有发现。“这个标记在人类精子染色体保留的组蛋白上也有被发现，”Kaneshiro说。
新发现表明，遗传获得的表观遗传标记影响基因表达和发育。但这项研究涉及到人为地改变精子染色体上的标记。有待理解的是，环境对一个成年有机体的影响如何改变其生殖细胞的表观遗传，使这些环境影响可能传播到下一代。
“我们的研究发现组蛋白修饰可能是跨代表观遗传的载体，”Kaneshiro说。“我们知道，生物体所经历的环境可以改变体细胞（非生殖细胞）的基因表达模式。如果它改变了生殖细胞中的基因表达模式，我们期望这些变化可以被遗传，但我们还没有证明这一点。”
参考文献：
Sperm-inherited H3K27me3 impacts offspring transcription and development in C. elegans
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