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Cell:神奇的母亲表观遗传修饰

父母将基因传给他们的后代,帮助他们适应生活。这说起来简单,但随着近年来研究的深入,表明现实更加复杂,父母所赋予的不仅仅是基因。马普免疫生物学和表观遗传学研究所的Asifa Akhtar实验室新一项研究表明,效的表观遗传修饰也从一代传给了下一代。

这一发现公布在Cell杂志上。

我们人类的母亲花了九个月时间生下孩子,之后又要花费数年的时间抚养和养育孩子,教他们如何执行基本的和高级的生存任务。而果蝇产下卵子,让它们自行发育,这看起来果蝇像是不负责任的父母,抛弃了自己的孩子。但是Asifa Akhtar实验室进行的研究表明,果蝇妈妈其实也为果蝇宝宝提供了有关生命周期编码的生命使用手册来确保后代的成功,这就是表观基因组。

从基因组到表观基因组

我们从父母那里获得遗传信息。但是,即使人体中的所有细胞都包含相同的DNA,它们也会表达不同的基因来实现不同的功能。 DNA包裹在组蛋白周围,形成称为核小体的单个重复单元。许多核小体结合在一起形成位于所有细胞核中的“染色质”。

表观遗传修饰(例如向组蛋白中添加化学基团)会导致染色质组织发生变化,从而触发基因激活(也就是“表达”)或基因沉默。表观遗传学代表了附加的信息层,可以帮助细胞确定激活哪些基因。尽管我们的细胞具有通用的基因组,但它们具有不同的“表观基因组”。

来自母亲的传代信息传递

母体的生殖细胞,卵母细胞和精子在受精过程中融合形成新的生物。科学家们认为,大多数表观遗传标记在每一代之间被删除。而表观遗传复位使得每个新个体都可以重新读取所有基因。

新研究发现,一种特殊的组蛋白修饰,即H4K16ac上组蛋白H4的乙酰化作用,是从母亲的卵母细胞到年轻胚胎的传代遗传。

“H4K16ac是一种表观遗传修饰,通常与基因的激活有关。但是,我们知道基因在卵母细胞或胚胎生命的前三个小时都没有表达。这提出了一个问题:H4K16ac在这个早期阶段如何完成修饰的?”Akhtar说。为了研究该组蛋白标记在早期果蝇发育中的功能,研究小组进行了全基因组分析。结果他们发现H4K16ac在其基因激活开始之前的早期发育阶段就“标记”了许多DNA区。

母亲的表观遗传信息对胚胎发育至关重要

当母亲未能将此标记传递给她的孩子时,H4K16ac对后代的重要性就变得显而易见。科学家利用遗传方法和转基因果蝇设计了实验,从果蝇母体内去除MOF酶——已知MOF负责H4K16ac修饰物的沉积。

值得注意的是,当科学家研究没有H4K16ac信息的后代时,他们发现在正常条件下以H4K16ac标记的基因现在不再正取表达,其染色质组织受到严重破坏。大多数未能获得母亲H4K16ac指示的胚胎随后死于灾难性的发育缺陷。

从果蝇到人类的教训

Akhtar表示:“果蝇妈妈甚至在受孕之前就已经通过表观遗传学确保了后代的生存,这一事实令人着迷。”接下来,研究人员转向哺乳动物,发现雌性小鼠还通过卵母细胞将H4K16ac组蛋白修饰传递给子代。这就提出了一种有趣的可能性,即人类也可能将母亲的H4K16ac用作成功胚胎发育的“蓝图”。情况是否如此以及该蓝图可能编码哪些信息,还有待未来进一步的研究。

 

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