精子表观遗传解析“有其父必有其子”

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日前，瑞士弗雷德里克-米歇尔生物医学研究所（Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research, FMI）的研究人员确定了精子发育过程中，组蛋白及其标签保留的分子逻辑。这些发现为强调关于表观遗传的基础性问题奠定了基础，即精子的染色质标签是否可以遗传，以及如何遗传到下一代，这有助于理解受经验或环境塑造的特征的表观遗传。
" {; T4 m* |7 Y# A  F0 O  _; K人们常说的“有其父，必有其子”从很大程度上讲出了真相。
  l& W8 D( e! d) Q2 i你知道吗？如果一个男孩在青春期之前吃得过多，那将对他未来的孩子和孙子的健康产生直接影响。这项研究在瑞典的一个边远村庄进行，研究者们准确的总结到：这些儿子和孙子们，而非女儿和孙女们，不论他们本身的饮食习惯是怎样的，他们都更容易因糖尿病或者心血管疾病而死亡。“表观遗传”成为可解释这一现象的一个神奇的词语。然而，表观遗传的中介物—— DNA 修饰、组蛋白修饰或RNA改变是否可以从一代传递到下一代呢？它们是怎样遗传的呢？这些对于研究人员来说仍然是一个很大的问号。
这项最新研究描述了染色质携带的表观遗传信息在精子发育过程中被保留下来的机制，它们可能最终传递给了下一代。
在精子中， DNA 包裹的紧密程度是核细胞以及常规细胞的 10-20 倍。 DNA 的紧密包裹由鱼精蛋白介导，在男性精细胞分化的过程中，当组蛋白被移除时，鱼精蛋白附着到了 DNA 上。然而，这一过程并没有完成：大约 1% 的组蛋白保留在了小鼠的精子上，它们尤其集中在具有基因调控功能的序列上。研究人员确定了这些残留组蛋白保留的逻辑基础，并且提出了这样的问题：一般而言，这些组蛋白是否在特征的表观遗传方面发挥作用。
# G4 p: [, X4 q8 Q6 v1 t, ]' C/ ?研究证明，残留的组蛋白主要结合富含 CpG 的 DNA 序列，它们被称为 CpG 岛，但是只在它们非甲基化时才可以结合。这些序列通常存在于基因的启动子区域，即控制基因表达的 DNA 。特别的是，在精子发育成熟以及核小体保留之前，这些 CpG 岛经历了自身染色质的一项大的重塑，它们将复制依赖型的、包含组蛋白 H3.1 和 H3.2 的核小体换成了包含组蛋白变型 H3.3 的核小体。交换的程度与 CpG 岛的丰富度以及受 CpG 岛控制的基因的转录水平有关。然而还有一些例外。研究人员指出，在受抑制的 CpG 岛处（H3K27me3），核小体交换的水平是很低的。有趣的是，精子中的这些 CpG 岛保留了老的 H3.1 和 H3.2 组蛋白。另外，研究人员还证明，在男性生殖细胞系中，包含 H3.1 和 H3.2 的启动子控制的大部分基因在早期胚胎发育中受到抑制。
研究人员表示，有了阐述精细胞发育过程中控制组蛋白保留机制的这项综合研究，科学家们就能够在小鼠模型中确定世代之间的一个较好的表观遗传因子，进而找到在人类和小鼠中进化保守的基本原理。
) g/ p0 A$ ~8 ]. k研究人员相信，要更好的理解由经验和环境塑造的特征的表观遗传，这是第一步。
5 d: R  U: @1 ~9 f4 k1 f/ o& L& \% f研究人员将上述研究成果发表在了近期出版的《自然-结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）杂志上。
. X& q" y  s% t; x; F原文检索：
Serap Erkek, Mizue Hisano, Ching-Yeu Liang, Mark Gill, Rabih Murr, Jürgen Dieker, Dirk Schübeler, Johan van der Vlag, Michael B Stadler& Antoine H F M Peters. Molecular determinants of nucleosome retention at CpG-rich sequences in mouse spermatozoa. Nature Structural & Molecular Biology, 16 June 2013; doi:10.1038/nsmb.2599