Science樹立新觀念：能遺傳的不僅僅是基因

生物探索

編者按

德國Max Planck研究所的研究人員證明在生命的傳遞過程中，下一代不僅繼承了DNA本身。Nicola Iovino的實驗室首次在分子水平描述了這種遺傳信息的生物學後果，新見解於7月14日發表在Science上。

我們不僅僅是基因的總和。由飲食、疾病或生活方式等環境因素調節的表觀遺傳機制可以通過調節基因的開關來調節DNA。長久以來人們一直爭論不休的是：如果表觀遺傳修飾在整個生命中積累，它是否可以跨越世代的邊界，遺傳給下一代。

現在，德國Max Planck研究所的免疫生物學和表觀遺傳學研究人員獲得有力的證據：在生命的傳遞過程中，下一代不僅繼承了DNA本身，也繼承了有助於在後代中基因表達調節的表觀遺傳指令。Nicola Iovino的實驗室首次描述了這種遺傳信息的生物學後果，新見解於7月14日發表在Science上。研究證明，母親的表觀遺傳記憶對新一代的發育和生存至關重要。

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表觀遺傳是什麼

人類有250多種不同的細胞類型。它們的DNA鹼基序列完全相同；然而，比如肝臟和神經細胞看起來非常不同，功能也不同。造成這種差異的原因是一個稱為表觀遺傳學的過程。表觀遺傳修飾能夠給DNA的特定區域添加標記，用來吸引或阻擋激活基因的蛋白。由此，這些表觀遺傳修飾逐步為每種細胞類型產生活性DNA和非活性DNA序列模式。

此外，與DNA中固定不變序列順序相反的是，表觀遺傳標記能夠在生命過程中發生變化，並對環境或生活方式作出反應。比如，吸煙改變肺細胞的表觀遺傳組成，最終導致癌症產生。應激、疾病或飲食等外部刺激影響，也被認為儲存在細胞的表觀遺傳記憶中。

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表觀遺傳標記能遺傳的證據

長期以來，人們一直認為這些表觀遺傳修飾不會跨代遺傳。科學家們認為，在精子和卵細胞發育過程中，整個生命過程中積累的表觀遺傳記憶是完全清除的。就在最近，幾項研究因證實表觀遺傳標記確實能夠跨代遺傳，轟動了科學界。2015年的Science上就證明了：在小鼠精子形成過程中如果改變組蛋白的生物化學信息，後代則容易有出生缺陷及異常骨骼形成。隨後2016年Developmental Cell上發表了表觀遺傳變化影響胎盤發育的文章，Nature Genetics上也有研究文章證明不良飲食通過卵子的表觀遺傳學影響後代。

但是迄今為止，分子水平上表觀遺傳標記如何準確地傳遞，以及它們對後代產生什麼影響仍然是未知的。論文通信作者、Max Planck研究所的研究員Nicola Iovino說，「自從上世紀九十年代初表觀遺傳學出現以來，就存在表觀遺傳信息跨代遺傳的跡象。比如，流行病學研究顯示，祖父的食物供應和他們的孫輩患糖尿病和心血管疾病風險有著顯著的相關性。自從那時以來，多篇報道已提示著不同的有機體中存在表觀遺傳傳遞，但是它的分子機制是未知的。」

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找到跨代傳遞的表觀遺傳標記

Iovino和他的團隊使用果蠅研究了表觀遺傳修飾如何從母體傳遞到胚胎。他們關注一種人類身上中發現的、被稱作H3K27me3的表觀遺傳修飾。它改變了染色質的包裝，主要與抑制基因表達相關聯。

發出綠色熒光的是H3K27me3修飾標記

Max Planck研究所的研究人員發現在母體卵子中標記染色質DNA的H3K27me3修飾在受精後的胚胎中仍然存在，即便其他的表觀遺傳標記被擦除。論文第一作者Fides Zenk解釋說：「這表明母體將它的表觀遺傳標記傳遞到了後代中。但是我們同樣感興趣的是，這些標記是否在胚胎中發揮著重要作用。」

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可遺傳的表觀遺傳標記對胚胎形成很重要

因此，這些研究人員運用多種遺傳工具在果蠅中移除了添加H3K27me3標記的酶，結果發現缺乏H3K27me3的胚胎在早期發育期中不能夠完成胚胎形成。Iovino說，「結果表明在繁殖中，表觀遺傳信息不僅能跨代遺傳，而且對胚胎本身的發育是比較重要的。」

當他們仔細研究這些胚胎時，研究小組發現在正常情形下被關閉的、幾種重要的發育基因在缺乏H3K27me3的胚胎中處於開啟狀態。Zenk解釋：「我們猜測在發育期間過早地激活這些基因會破壞胚胎形成，並且最終導致胚胎死亡。事實上，它表明表觀遺傳信息是加工和正確轉錄胚胎中的遺傳密碼所必需的。」

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對人類健康的影響

有了這些結果，此項研究工作向前邁出了重要的一步，並清楚地顯示了可遺傳的表觀遺傳信息的生物學後果。不僅提供證據表明果蠅的表觀遺傳修飾可以世代相傳，而且還揭示了從母親遺傳來的表觀遺傳標記是一種在早期胚胎髮育的複雜過程中控制基因激活的微調機制。

研究人員深信他們的發現具有深遠影響。Iovino解釋道：「我們的研究表明我們不只從我們的父母那裡遺傳基因。它表明了我們還能遺傳到能夠被我們的環境和個人生活方式所影響的、可微調的基因調節機制。這些認識為之前發表的研究——一些情形下獲得性的環境適應結果夠從生殖細胞系傳遞到我們的後代這樣的觀察提供新的分子基礎。」此外，鑒於破壞表觀遺傳機制可能導致癌症、糖尿病和自身免疫疾病等疾病，這些新的發現可能對人類健康產生重要影響。

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參考資料：1）Germ line–inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition

2）Epigenetics between the generations:Researchers prove that we inherit more than just genes

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