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Science:我们继承的不仅仅是基因,还有表观遗传信息

作者: 来源: 2017-11-19 我要评论( )

我们不仅仅是基因的集合体,受环境因素(比如饮食、疾病或生活方式)影响的表观遗传机制在基因调控中发挥重要作用。长久以来一直存在这样一种争论,一生中积累的表观遗传修饰是否会

我们不仅仅是基因的集合体,受环境因素(比如饮食、疾病或生活方式)影响的表观遗传机制在基因调控中发挥重要作用。长久以来一直存在这样一种争论,一生中积累的表观遗传修饰是否会突破代际的界限,遗传给孩子或者孙辈。现在马普研究所(Max Planck Institut

Science:我们继承的不仅仅是基因,还有表观遗传信息

我们不仅仅是基因的集合体,受环境因素(比如饮食、疾病或生活方式)影响的表观遗传机制在基因调控中发挥重要作用。长久以来一直存在这样一种争论,一生中积累的表观遗传修饰是否会突破代际的界限,遗传给孩子或者孙辈。现在马普研究所(Max Planck Institute)的免疫生物学和表观遗传学研究人员提供了有力的证据表明,除了遗传的DNA之外,表观遗传学指令也会影响后代的基因表达。此外,Nicola Iovino的实验室也首次描述了关于这种遗传信息所造成的生物学影响的新观点。该研究证明,母亲的表观遗传记忆对于后代的发育和生存是至关重要的。相关论文已于14日发表在了《Science》上。

Science:我们继承的不仅仅是基因,还有表观遗传信息

人类拥有超过250种不同的细胞类型。它们都包含相同的DNA碱基,以完全相同的顺序排列。然而,肝脏和神经细胞则看起来不那么相同,而且有不同的功能。而造成这种不同的就是被称为表观遗传的过程。表观遗传学修饰对DNA的特定位置进行标记,以吸引或者排斥激活某些基因的蛋白质。因此,这些表观遗传学修饰会一步一步地为每种细胞生成活跃的和不活跃的DNA序列。此外,与DNA中“字母”顺序固定相反的是,表观遗传标记会在一生中与环境或生活方式相互作用的过程中发生变化。比如,吸烟会改变肺部细胞中表观遗传标记,最终导致癌症。其他的外部影响,比如压力、疾病或饮食也会存储在细胞的表观遗传记忆中。

长期以来人们一直认为,这些表观遗传修饰不会跨越代际。科学家们认为,一生中所积累的表观遗传记忆不会出现在精子或卵细胞中。但是最近的一些研究质疑了这一观点,这些研究发现表观遗传标记事实上是会被传递给下一代的,但是具体的机制,以及这些基因变化会对后代造成什么样的影响,仍然不明确。这项新研究的通讯作者Nicola Iovino说:“自从上世纪90年代初表观遗传学的研究开始兴起,我们就观察到了表观遗传信息在代际之间的遗传影响。比如,流行病学研究揭示出,食物供应情况与孙辈糖尿病和心血管疾病风险增加之间存在显著相关性。从那时起,多项研究都报道过不同生物体的表观遗传,但是准确的分子机制仍然不为人所知。”

代际之间的表观遗传学

Iovino和他的团队使用果蝇研究表观遗传修饰是如何从母体传递到胚胎的。该团队主要研究在人体中也存在的H3K27me3,。研究发现,H3K27me3会改变染色体,主要与抑制基因表达相关。

Science:我们继承的不仅仅是基因,还有表观遗传信息

图像来源:《Science》

马普研究所的科学家们发现,在母亲卵细胞中标记染色质DNA的H3K27me3修饰也存在于受精后的胚胎中,即使在其他表观遗传标记消失的情况下也是如此。该研究的第一作者Fides Zenk说:“这表明,母体会将表观遗传标记传递给后代。但是我们感兴趣的是,这些标记是否在胚胎中也起到重要作用。”

Science:我们继承的不仅仅是基因,还有表观遗传信息

带有H3K27me3 的果蝇卵细胞被染成绿色。这个卵细胞会和精子结合形成果蝇的下一代。图的右上角描述了卵细胞和精子受精之前的融合过程。被染成绿色的H3K27me3只出现在母体的前核体中,这张图表明表观遗传标记被遗传给了下一代。

继承的表观遗传标记对于胚胎发育非常重要

研究人员对果蝇使用了多种基因工具,移除放置H3K27me3标记的酶,他们发现,在胚胎早期缺少H3K27me3的胚胎无法最终发育成型。Nicola Iovino说:“这表明,在繁殖过程中,表观遗传信息不仅仅是传递给后代,它们对于胚胎本身的发育也是非常重要的。”

当研究团队进一步观察这些胚胎,他们发现,某些在胚胎发育早期通常被关闭的发育相关基因会在没有H3K27me3的胚胎中打开。Fides Zenk解释说:“我们认为,在发育早期过早地激活这些基因会扰乱胚胎发育,并最终导致胚胎死亡。似乎可遗传的表观遗传信息对于正确地处理和转录基因密码是必要的。”

对于遗传理论和人类健康的意义

马普研究所的这些研究是重要的进步,清晰地展示出了表观遗传信息的生物学作用。他们不仅仅提供证据表明果蝇的表观遗传修饰会被传递给后代,还揭示出,来自母体的表观遗传标记是一种良好的机制,能够在复杂的胚胎发育早期控制基因激活。

该研究团队相信,他们的发现有深远的意义。Nicola Iovino解释说:“我们的研究表明,我们不仅仅从父母那里继承基因。似乎我们还继承了一种重要的调节机制,这种机制可以被环境和生活方式影响。这些新发现提供了新的观点,至少在某些情况下,获得的遗传性适应会被传递给后代。”此外,因为表观遗传机制会引起多种疾病,比如癌症、糖尿病和自免疫疾病,这些新发现对人类的健康也有着重要意义。

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