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我国学者揭示精子胜于卵子而获得了DNA甲基化图谱的遗传权力

生命科学部 谷瑞升

  2013年5月9日国际知名学术杂志Cell以封面论文的形式发表了中国科学院北京基因组所刘江和慈维敏团队的科研成果“Sperm,but Not Oocyte, DNA Methylome Is Inherited by Zebrafish Early Embryos”

  生命得以繁衍和延续,遗传是基础。在两性生殖的物种中,子代从父本和母本那里分别继承了一半的DNA,而同一个生物体内的每个细胞都具有相同的DNA序列(基因组)。除了DNA序列外,还有一些信息在生物体由受精卵到完整生命体的发育过程中起着重要的作用,这些信息叫做表观遗传信息。表观遗传信息被称为一类不改变DNA序列,却能调控基因组活动(基因表达)的信息,它可以改变基因表达的开启和关闭。因为表观遗传信息的存在,使得动物仅有一套DNA序列的受精卵,却能分化成200多种不同的细胞,形成不同的组织和器官。这些信息还与多种疾病(例如肿瘤)的产生密不可分。但是,表观信息是否能从父母遗传到子代中?以及如何传递?目前还不清楚。

  DNA甲基化修饰是一种重要的表观遗传信息,在动物体上它主要发生在胞嘧啶(C)上。以往受限于研究方法局限,学术界认为受精卵在早期发育过程中,绝大多数DNA修饰会被抹去,然后重新建立子代的DNA甲基化图谱。中科院北京基因组所刘江和慈维敏研究团队以脊椎动物斑马鱼为模式生物,利用其体外受精和产卵多等优点,使用高通量测序平台获得了大约1200G的数据,生成了高分辨率的甲基化图谱。利用生物信息学的对数据和图谱深度挖掘发现,斑马鱼受精后,父源DNA一直保持着精子的甲基化谱图,母源DNA在16细胞期之前,一直保持卵子的甲基化图谱,然后卵子的甲基化图谱作为一个整体被抛弃,并重新编程,当胚胎发育到囊胚期时,母源DNA也变成了精子的甲基化图谱。此外,更令人兴奋的是,研究人员发现大量调控胚胎发育、分化的信息都储存在精子的DNA甲基化图谱中,精子图谱信息指导着胚胎的早期发育。这意味着在表观遗传学修饰的传代方面父亲的作用更大,换言之,在精子与卵子,关于DNA甲基化信息遗传的争斗中,精子获得了最终的胜利,从而使子代继承精子的DNA甲基化图谱。

  该研究证明除了DNA序列可以遗传外,DNA甲基化也可以被遗传到子代中。同时这一结果也颠覆了以往认为精子的体积很小,对子代仅提供一半DNA,而胚胎发育的重要信息主要储存在卵子中的传统观念。该项研究初步揭示了斑马鱼中DNA甲基化表观遗传信息的传递规律,为研究其他物种包括哺乳动物DNA甲基化表观遗传的规律提供了基础。此外,该研究将为干细胞和体细胞重编程的研究带来了新的启迪,也将为再生医学的发展提供理论基础。

  该研究得到了基金委重大研究计划“细胞编程与重编程的表观遗传机制”培育项目的资助(91219104)。

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