Теперь исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Круз продемонстрировали, что эпигенетическая информация, переносимая хромосомами родительской спермы, может вызывать изменения в экспрессии генов и развитии у потомства. Их исследование, опубликованное 20 марта в Nature Communications, включало серию умных экспериментов с использованием нематодного червя Caenorhabditis elegans.
Эпигенетические изменения не изменяют последовательности ДНК генов, но вместо этого включают химические модификации либо самой ДНК, либо гистоновых белков, с которыми ДНК упакована в хромосомах.
Эти модификации или «метки» изменяют экспрессию генов, включая или выключая гены.
В своих экспериментах с C. elegans, исследователи из лаборатории Сьюзан Стром в Калифорнийском университете в Санта-Крус сосредоточили свое внимание на гистоновых метках, модификациях определенных аминокислот в хвостах гистоновых белков.
Стром, профессор молекулярной, клеточной биологии и биологии развития, сказал, что новое исследование решает центральный вопрос в области эпигенетики.
"Это очень прямой вопрос: влияет ли наследование хромосом сперматозоидов с измененной гистоновой упаковкой ДНК на экспрессию генов в потомстве?"?
И ответ – да, – сказала она.
Первый автор Киёми Канеширо, аспирант лаборатории Строма, который руководил исследованием, сказал С. elegans – хорошая модель для изучения этого вопроса, потому что упаковка гистонов полностью сохраняется в хромосомах сперматозоидов червя.
У человека и других млекопитающих упаковка гистонов только частично сохраняется в сперматозоидах.
«Есть споры о том, сколько упаковки гистонов сохраняется у человека, но мы знаем, что она сохраняется в некоторых важных для развития областях генома», – сказал Канеширо.
Исследователи сосредоточили свое внимание на эпигенетическом наследовании по отцовской линии, потому что сперматозоиды вносят в эмбрион немного больше, чем свои хромосомы. Яйцо содержит много других компонентов, которые могут влиять на развитие эмбриона, что затрудняет выявление эпигенетических эффектов по материнской линии.
В своих экспериментах Канеширо выборочно удалила определенную гистоновую метку из хромосом сперматозоидов, затем оплодотворила яйцеклетки модифицированной спермой и изучила полученное потомство. Важнейшим нововведением было использование спермы и яйцеклеток двух разных штаммов C. elegans, что позволило Канеширо различать хромосомы, унаследованные от сперматозоидов, и хромосомы, унаследованные от яйцеклетки.
Она выбрала штаммы червей из Британии и Гавайев, которые развивались отдельно достаточно долго, чтобы накопить множество небольших генетических различий (так называемых однонуклеотидных полиморфизма).
«Отцы были британцами, а мамы – гавайцами, и между ними достаточно различий, чтобы мы могли различить два родительских генома в клетках их потомства», – сказал Канеширо. «Благодаря этой гибридной системе мы смогли увидеть различия в экспрессии генов, которые были прямым результатом изменений в метках гистонов на хромосомах сперматозоидов."
Кроме того, эти изменения в экспрессии генов имели последствия для развития.
С удалением гистоновых меток хромосомы сперматозоидов потеряли репрессивный сигнал, который обычно препятствует активности определенных генов в зародышевой линии потомства (клетки, дающие начало яйцеклеткам и сперматозоидам). Канеширо заметил, что клетки зародышевой линии потомства включили нейронные гены и начали развиваться в нейроны.
Конкретная гистоновая метка, удаленная в этих экспериментах, является широко изученной эпигенетической меткой, обнаруживаемой у животных, от червей до плодовых мух и людей. «Эта метка находится на гистонах, которые остаются на хромосомах сперматозоидов у людей», – сказал Канеширо.
Новые данные показывают, что унаследованные эпигенетические метки влияют на экспрессию и развитие генов. Но исследование включало искусственное изменение меток на хромосомах сперматозоидов. Остается понять, как воздействие окружающей среды на взрослый организм может изменять эпигенетические метки в его клетках зародышевой линии, делая возможным передачу этих воздействий окружающей среды на последующие поколения.
«Наши результаты повышают вероятность того, что гистоновые метки являются носителями эпигенетической наследственности между поколениями», – сказал Канеширо. "Мы знаем, что окружающая среда, с которой сталкивается организм, может изменять паттерны экспрессии генов в соматических клетках [клетках тела незародышевой линии].
Если он изменяет паттерны экспрессии генов в зародышевой линии, мы ожидаем, что эти изменения могут быть унаследованы, но мы еще не показали этого."
Помимо Канеширо и Строма, соавторами исследования являются Андреас Рехтштайнер, биоинформатик из лаборатории Строма.
Работа поддержана Национальным институтом здоровья.