在不改变 DNA 中的遗传密码的情况下，表观遗传修饰可以改变基因的表达方式，从而影响生物体的健康和发育。曾经激进的想法认为基因表达的这种变化可以遗传，现在有越来越多的证据支持它，但所涉及的机制仍然知之甚少。
加州大学圣克鲁兹分校的研究人员进行的一项新研究表明，一种常见的表观遗传修饰如何不仅可以通过精子从父母传给后代，还可以传给下一代(“孙后代”)。这被称为“跨代表观遗传”，它可以解释一个人的健康和发育如何受到其父母和祖父母的经历的影响。
这项研究 发表在 9 月 26 日当周的 《国家科学院院刊》(PNAS)上，重点关注组蛋白的一种特殊修饰，这种修饰改变了 DNA 在染色体中的包装方式。众所周知，这种广泛研究的表观遗传标记(称为 H3K27me3)会关闭或“抑制”受影响的基因，并且在所有多细胞动物中都存在——从人类到本研究中使用的线虫 C. elegans 。
“这些结果在精子传播的组蛋白标记与后代和孙后代的基因表达和发育之间建立了因果关系，”通讯作者、加州大学圣克鲁斯分校分子、细胞和发育生物学荣誉教授 Susan Strome 说。
组蛋白是参与染色体中 DNA 包装的主要蛋白质。称为 H3K27me3 的表观遗传标记是指组蛋白 H3 中特定氨基酸的甲基化。这导致 DNA 被更密集地包装，使得该区域的基因不太容易被激活。
这项新研究涉及选择性地从秀丽隐杆线虫精子的染色体上剥离该组蛋白标记， 然后将其用于使具有完全标记染色体的卵子受精。在产生的后代中，研究人员观察到异常的基因表达模式，在没有抑制性表观遗传标记的情况下，父系染色体(从精子继承)上的基因打开或“上调”。
这导致组织开启了它们通常不会表达的基因。例如，生殖系组织(产生卵子和精子)开启了通常在神经元中表达的基因。
“在我们分析的所有组织中，基因表达异常，但不同组织中出现了不同的基因，这表明组织环境决定了哪些基因被上调，”Strome 说。
对后代生殖系组织中染色体的分析表明，上调的基因仍然缺乏抑制性组蛋白标记，而没有上调的基因上的标记已经恢复。
“在后代的生殖系中，一些基因异常开启并保持在缺乏抑制标记的状态，而基因组的其余部分恢复了标记，这种模式被传递给了孙后代，”斯特罗姆解释说。“我们推测，如果这种 DNA 包装模式在种系中保持不变，它可能会代代相传。”
在孙后代中，研究人员观察到了一系列发育影响，包括一些完全不育的蠕虫。这种结果的混合是由于在产生精子和卵子的细胞分裂过程中染色体是如何分布的，导致许多不同的染色体组合可以传递给下一代。
Strome 实验室的研究人员多年来一直在研究 秀丽隐杆线虫 的表观遗传，她说这篇论文代表了他们在这一领域工作的高潮。她指出，其他研究哺乳动物细胞培养的研究人员报告的结果与她实验室在蠕虫中的发现非常相似，尽管这些研究并未显示跨代传播。
“这看起来像是动物基因表达和发育的一个保守特征，而不仅仅是一种奇怪的蠕虫特有现象，”她说。“我们可以在 秀丽隐杆线虫 中进行惊人的基因实验，而这是人类无法做到的，我们在蠕虫中的实验结果可能对其他生物体产生广泛的影响。”