世代間的表觀遺傳：我們所遺傳的不僅是基因

我們不止是基因的集合。飲食、疾病或者生活方式等環境因素調製的表觀遺傳機制在調節DNA開關方面具有重要的作用。長久以來存在這樣一個爭議：整個生命過程中累積的表觀遺傳修改能否跨越世代的界限傳遞到子女或者孫子女。現在德國弗萊堡的馬克斯普朗克免疫生物學和表觀遺傳學研究所的研究者提供的魯棒證據表明遺傳的DNA本身與表觀遺傳指令共同調節了後代中的基因表達。此外，Nicola Iovino的實驗室提供的新見解首次描述了這種遺傳信息的生物學結果。研究證實母親的表觀遺傳記憶對於新一代的發育和生存至關重要。

credit: 煎蛋畫師Chon

人類有250中不同類型的細胞。它們都以相同的順序包含相同的DNA基礎，但肝臟或者神經細胞看起來十分與眾不同，具有不同的技能。產生這種差異的是一種叫表觀遺傳的過程。表觀遺傳修飾給DNA的特定區域打上標籤，使其吸引或者排斥激活基因的蛋白質。由此，這些修飾一步一步地為每種細胞創建典型的激活和抑制DNA序列模式。此外，不同於DNA中固定順序的「字母」，表觀遺傳印記可以在生命過程中隨著環境或生活方式而變化。例如，吸煙會改變肝臟細胞的表觀遺傳構成，最終引發癌症。其他諸如壓力、疾病或者飲食等外界刺激的影響也會存儲在細胞的表觀遺傳記憶之中。

長久以來大家都認為這些表觀遺傳修飾不會跨越世代的界限。科學家們假定生命中積累的表觀遺傳記憶在精子和卵細胞的發育中完全清除了。但不久前少部分研究表明表觀遺傳印記確實會傳遞到下一代中，但如何做到的，以及什麼東西會影響後代中含有的表觀遺傳修飾尚不清楚，在科學界掀起了波瀾。新研究通訊作者Nicola Iovino說道：「從上世紀九十年代表觀遺傳學的興起以來，我們發現了表觀遺傳信息的代際傳承標誌。例如，流行病學研究揭示了祖父食物供應與孫子的高糖尿病和心血管疾病風險之間的驚人關聯。從此以後，大量的報道表明不同生命體中都存在表觀遺傳的繼承，但其中的分子機制尚屬未知。」

世代間的表觀遺傳

他和他的團隊利用果蠅探索表觀遺傳修飾是如何從母親傳遞到胚胎的。團隊重點放在名為H3K27me3的特定修飾，這在人類中也能找到。這會改變所謂的核染色質，即細胞核中的DNA包裝，並主要與抑制基因表達有關。

研究者發現在母親的卵細胞中標記核染色質DNA的H3K27me3修飾在受精後的胚胎中仍然存在，即使其他的表觀遺傳印記都被抹去了。研究第一作者Fides Zenk解釋道： 「這表明母親將她的表觀遺傳印記傳遞給了她的後代。但我們也想知道，這些印記是否會對胚胎做出什麼重要的事情。」

繼承的表觀遺傳印記對於胚胎髮育至關重要

於是研究者利用果蠅中的多種基因工具移除了放置H3K27me3的酶，發現在發育早期缺乏H3K27me3的胚胎無法發育到胚胎髮育的後期。Nicola Iovino說道：「事實證實在繁殖中，表觀遺傳信息不僅從一代遺傳到另一代，而且對於胚胎本身的發育也尤為重要。」
當他們對胚胎進行仔細檢查時，研究團隊發現如果沒有H3K27me3，在胚胎髮育早期幾種通常關閉的發育基因被打開了。Fides Zenk 解釋道：「我們假定在發育中太早激活這些基因擾亂了胚胎生長，並最終導致胚胎死亡。看起來繼承表觀遺傳信息對於處理和正確轉錄胚胎的基因編碼是必須的。」

這一理論的影響

這一研究是重要的進步，清楚表明了繼承的表觀遺傳信息的生物學影響。這一研究不僅提供了果蠅中表觀遺傳修飾能被傳遞到下一世代的證據，而且進一步揭示了傳承自母親的表觀遺傳印記是精心調製後的機制，能夠控制胚胎髮育早期複雜過程中的基因激活。

研究團隊認為他們的發現具有深遠的影響。Nicola Iovino解釋道：「我們的研究表明我們從父母那裡不只是繼承了基因。看起來我們還得到了精心調製的重要基因調節機構，會受到環境和個體生活方式的影響。這些新見解能為在某些情況下獲得的環境適應性能通過生殖細胞系傳遞給後代的這種觀測提供基礎。」進一步的，由於表觀遺傳機制的破壞可能引發癌症、糖尿病和自體免疫失調等疾病，這些新發現對人類健康也有影響。

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論文原文： DOI: 10.1126/science.aam5339

本文譯自 medicalxpress，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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