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世代间的表观遗传：我们所遗传的不仅是基因
我们不止是基因的集合。饮食、疾病或者生活方式等环境因素调制的表观遗传机制在调节DNA开关方面具有重要的作用。长久以来存在这样一个争议：整个生命过程中累积的表观遗传修改能否跨越世代的界限传递到子女或者孙子女。现在德国弗莱堡的马克斯普朗克免疫生物学和表观遗传学研究所的研究者提供的鲁棒证据表明遗传的DNA本身与表观遗传指令共同调节了后代中的基因表达。此外，Nicola Iovino的实验室提供的新见解首次描述了这种遗传信息的生物学结果。研究证实母亲的表观遗传记忆对于新一代的发育和生存至关重要。
credit: 煎蛋画师Chon
人类有250中不同类型的细胞。它们都以相同的顺序包含相同的DNA基础，但肝脏或者神经细胞看起来十分与众不同，具有不同的技能。产生这种差异的是一种叫表观遗传的过程。表观遗传修饰给DNA的特定区域打上标签，使其吸引或者排斥激活基因的蛋白质。由此，这些修饰一步一步地为每种细胞创建典型的激活和抑制DNA序列模式。此外，不同于DNA中固定顺序的“字母”，表观遗传印记可以在生命过程中随着环境或生活方式而变化。例如，吸烟会改变肝脏细胞的表观遗传构成，最终引发癌症。其他诸如压力、疾病或者饮食等外界刺激的影响也会存储在细胞的表观遗传记忆之中。
长久以来大家都认为这些表观遗传修饰不会跨越世代的界限。科学家们假定生命中积累的表观遗传记忆在精子和卵细胞的发育中完全清除了。但不久前少部分研究表明表观遗传印记确实会传递到下一代中，但如何做到的，以及什么东西会影响后代中含有的表观遗传修饰尚不清楚，在科学界掀起了波澜。新研究通讯作者Nicola Iovino说道：“从上世纪九十年代表观遗传学的兴起以来，我们发现了表观遗传信息的代际传承标志。例如，流行病学研究揭示了祖父食物供应与孙子的高糖尿病和心血管疾病风险之间的惊人关联。从此以后，大量的报道表明不同生命体中都存在表观遗传的继承，但其中的分子机制尚属未知。”
世代间的表观遗传
他和他的团队利用果蝇探索表观遗传修饰是如何从母亲传递到胚胎的。团队重点放在名为H3K27me3的特定修饰，这在人类中也能找到。这会改变所谓的核染色质，即细胞核中的DNA包装，并主要与抑制基因表达有关。
研究者发现在母亲的卵细胞中标记核染色质DNA的H3K27me3修饰在受精后的胚胎中仍然存在，即使其他的表观遗传印记都被抹去了。研究第一作者Fides Zenk解释道： “这表明母亲将她的表观遗传印记传递给了她的后代。但我们也想知道，这些印记是否会对胚胎做出什么重要的事情。”
继承的表观遗传印记对于胚胎发育至关重要
于是研究者利用果蝇中的多种基因工具移除了放置H3K27me3的酶，发现在发育早期缺乏H3K27me3的胚胎无法发育到胚胎发育的后期。Nicola Iovino说道：“事实证实在繁殖中，表观遗传信息不仅从一代遗传到另一代，而且对于胚胎本身的发育也尤为重要。”
当他们对胚胎进行仔细检查时，研究团队发现如果没有H3K27me3，在胚胎发育早期几种通常关闭的发育基因被打开了。Fides Zenk 解释道：“我们假定在发育中太早激活这些基因扰乱了胚胎生长，并最终导致胚胎死亡。看起来继承表观遗传信息对于处理和正确转录胚胎的基因编码是必须的。”
这一理论的影响
这一研究是重要的进步，清楚表明了继承的表观遗传信息的生物学影响。这一研究不仅提供了果蝇中表观遗传修饰能被传递到下一世代的证据，而且进一步揭示了传承自母亲的表观遗传印记是精心调制后的机制，能够控制胚胎发育早期复杂过程中的基因激活。
研究团队认为他们的发现具有深远的影响。Nicola Iovino解释道：“我们的研究表明我们从父母那里不只是继承了基因。看起来我们还得到了精心调制的重要基因调节机构，会受到环境和个体生活方式的影响。这些新见解能为在某些情况下获得的环境适应性能通过生殖细胞系传递给后代的这种观测提供基础。”进一步的，由于表观遗传机制的破坏可能引发癌症、糖尿病和自体免疫失调等疾病，这些新发现对人类健康也有影响。
论文原文： DOI: 10.1126/science.aam5339
本文译自 medicalxpress，由 CliffBao 编辑发布。
