Science：颠覆传统认知！表观遗传修饰可跨代传递

我们并不是我们的基因的总和。饮食、疾病或生活方式等环境线索调节的表观遗传机制通过开启和关闭基因在调节DNA中发挥着重要的作用。长期以来，人们都在争论在整个一生当中聚集的表观遗传修饰是否能够跨代遗传。

如今，在一项新的研究中，来自德国马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所等研究机构的研究人员提供强劲的证据证实不仅遗传的DNA本身，而且遗传的表观遗传指令，都会调节后代的基因表达。再者，这些新的认识首次描述了这种遗传信息的生物学结果。这项研究证实母本表观遗传记忆是新的一代发育和存活所必不可少的。相关研究结果发表在2017年7月14日的Science期刊上，论文标题为“Germ line–inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition”。

图片来自 MPI of Immunobiology a. Epigenetics/ F. Zenk。

人体具有250多种不同的细胞类型。这些细胞都具有完全相同的DNA碱基，但是肝细胞和神经细胞看起来非常不同，具有不同的功能。在其中发挥作用的是一种被称作表观遗传的过程。表观遗传修饰对DNA的特定区域添加标记来吸引或阻挡激活基因的蛋白。因此，对每种细胞类型而言，这些表观遗传修饰逐步地产生典型的活性DNA和非活性DNA序列模式。再者，与DNA中固定不变的碱基序列相反的是，表观遗传标记也能够在终生发生变化，并且对环境或生活方式作出反应。比如，吸烟改变肺细胞的表观遗传组成，最终导致癌症产生。其他的外部刺激影响，如应激、疾病或饮食，也应当被储存在细胞的表观遗传记忆中。

人们长期认为这些表观遗传修饰从不会跨代遗传。科学家们猜测在一生当中聚集的表观遗传记忆在精子和卵子的产生期间被完全清除。就在最近，几项研究因证实表观遗传标记确实能够跨代传递而轰动科学界，但是迄今为止，表观遗传标记如何准确地传递，以及它们对后代产生什么影响仍然是未知的。论文通信作者、马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所染色质调节系研究员Nicola Iovino说，“我们已观察到自从上世纪九十年代初表观遗传学出现以来就存在表观遗传信息跨代遗传的迹象。比如，流行病学研究已揭示出祖父的食物供应和他们的孙子女增加的糖尿病和心血管疾病风险之间存在着显著的关联性。自从那时以来，多篇报道已提示着表观遗传传递存在于不同的有机体中，但是它的分子机制是未知的。”

跨代表观遗传传递

Iovino和他的团队利用果蝇探究了表观遗传修饰如何从母本传递到它的胚胎中。他们着重关注一种被称作H3K27me3的表观遗传修饰，这种修饰也能够在人体中发现到。它改变所谓的染色质，并且主要与抑制基因表达相关联。
Iovino团队发现在母本卵子中标记染色质DNA的H3K27me3修饰在受精后的胚胎中仍然存在，即便其他的表观遗传标记被擦除，也是如此。论文第一作者Fides Zenk解释道，“这表明母本传递它的表观遗传标记到它的后代中。但是我们同样感兴趣的是，这些标记是否在胚胎中发挥着重要作用。”

可遗传的表观遗传标记对胚胎形成是较为重要的

因此，这些研究人员在果蝇中利用多种遗传工具移除添加H3K27me3标记的酶，结果发现缺乏H3K27me3的胚胎在早期发育期间不能够发育到胚胎形成的结束。Iovino说，“结果表明在繁殖中，表观遗传信息不仅跨代遗传，而且对胚胎本身的发育是比较重要的。”
当Iovino团队更加密切地研究这些胚胎时，他们发现几种重要的在正常情形下被关闭的发育基因在缺乏H3K27me3的胚胎中处于开启状态。Zenk解释道，“我们猜测在发育期间太早地激活这些基因会破坏胚胎形成，并且最终导致胚胎死亡。事实上，它似乎表明表观遗传信息是加工和正确地转录胚胎中的遗传密码所必需的。”

对人类健康的影响

这些研究人员认为他们的发现具有深远的影响。Iovino解释道，“我们的研究表明我们不只是从我们的父母那里遗传基因。它似乎表明我们发现的一种重要的可经微调的基因调节机制能够被我们的环境和个人生活方式所影响。这些认识为至少在一些情形下获得的环境适应性能够从生殖细胞系传递到我们的后代的观察结果提供新的基础。”再者，鉴于破坏表观遗传机制可能导致癌症、糖尿病和自身免疫疾病等疾病，这些新的发现可能对人类健康产生重要影响。