表观遗传记忆通过世代转移到模式生物中的祖后代

加州大学圣克鲁斯分校的研究人员进行的一项研究表明，一种常见的表观遗传修饰不仅可以通过精子从父母传播给后代，还可以传播给下一代(“孙后代”)。他们认为，这种跨代表观遗传可以解释一个人的健康和发展如何受到他或她的父母和祖父母的经历的影响。

该研究的重点是组蛋白的特定修饰，该修饰改变了DNA在染色体中的包装方式。广泛研究的表观遗传标记H3K27me3已知可以关闭或“抑制”受影响的基因，并且存在于所有多细胞动物中-从人类到新报道的研究中使用的线虫秀丽隐杆线虫。

“这些结果建立了精子传递的组蛋白标记与后代和孙后代的基因表达和发育之间的因果关系，”通讯作者，加州大学圣克鲁斯分校分子，细胞和发育生物学名誉教授SusanStrome博士说。Strome及其同事在一篇题为“精子遗传的H3K27me3表等位基因在顺式中跨代传播”的论文中报告了他们在PNAS方面的工作，作者得出结论，“我们表明基因标记和基因上调的精子遗传模式被传递给祖后代，证明H3K27me3标记可以作为秀丽隐杆线虫中真正的跨代表观遗传载体。

在不改变DNA中的遗传密码的情况下，表观遗传修饰可以改变基因的表达方式，影响生物体的健康和发育。曾经激进的观点是基因表达的这种变化可以遗传，现在有越来越多的证据支持它，但所涉及的机制仍然知之甚少。

“对人类的研究表明，各种生活方式和饮食条件可以改变精子或卵母细胞携带的表观遗传信息，表观遗传机制是父母所经历的条件与其后代的健康结果之间的联系的基础，”研究小组写道。“然而，对人类的研究在识别这些过程背后的机制的能力有限。对模式生物的研究正在阐明表观遗传如何塑造后代的发育和健康。

组蛋白是参与染色体中DNA包装的主要蛋白质。称为H3K27me3的表观遗传标记是指组蛋白H3中特定氨基酸的甲基化。这导致DNA被更密集地包装，使得该区域的基因更难被激活。在他们新报道的研究中，研究人员选择性地从秀丽隐杆线虫精子的染色体上剥离这种组蛋白标记，然后将其用于使具有完全标记染色体的卵子受精。

研究人员观察到，在由此产生的后代中存在异常的基因表达模式，在没有抑制性表观遗传标记的情况下，父系染色体上的基因(遗传自精子)上调。这导致组织打开它们通常不会表达的基因。例如，产生卵子和精子的种系组织打开了通常在神经元中表达的基因。

“在我们分析的所有组织中，基因异常表达，但不同的基因在不同的组织中出现，这表明组织环境决定了哪些基因被上调，”Strome说。作者进一步解释说：“我们发现精子基因组中缺乏保守的抑制标记H3K27me3导致后代体细胞和种系组织中精子等位基因的上调，并且组织环境决定了哪些基因容易上调。

对后代种系组织中染色体的分析表明，上调的基因仍然缺乏抑制性组蛋白标记，而未上调的基因上的标记已经恢复。“在后代的种系中，一些基因异常地打开并保持在缺乏抑制标记的状态，而基因组的其余部分重新获得了标记，并且这种模式被传递给了孙后代，”Strome解释说。“我们推测，如果这种DNA包装模式在种系中保持，它可能会传给很多代。

在祖孙后代中，研究人员观察到了一系列发育影响，包括一些完全不育的蠕虫。这种结果的混合是由于染色体在产生精子和卵子的细胞分裂过程中的分布方式，导致许多不同的染色体组合可以传递给下一代。

Strome实验室的研究人员多年来一直在研究秀丽隐杆线虫的表观遗传，她说新报道的研究代表了他们在这一领域的工作的高潮。她指出，其他研究哺乳动物培养细胞的研究人员报告的结果与她的实验室在蠕虫中的发现非常相似，尽管这些研究没有显示跨多代的传播。作者说：“我们在蠕虫中的发现反映了哺乳动物细胞的发现，并暗示了蠕虫和哺乳动物之间基于染色质的调节的保守机制，”研究小组解释说。“该模型提供了一种方式，其中亲本基因组的表观遗传变化可以在其他遗传相同的人群中迅速产生表观遗传变异。

Strome进一步评论说：“这看起来像是动物基因表达和发育的保守特征，而不仅仅是一种奇怪的蠕虫特异性现象。我们可以在秀丽隐杆线虫中进行惊人的遗传实验，这是人类无法做到的，我们在蠕虫上的实验结果可能对其他生物产生广泛的影响。