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Cell:中国科学家揭示精子对遗传使命的贡献

2013年05月13日

  20世纪生命科学的快速发展证实了遗传的物质载体是DNA,DNA序列可以稳定地从父母遗传到子代中去,从而使物种得以延续。但如果仅仅只是DNA序列的遗传,难以解释为什么一个受精卵细胞可以发育成一个包含多种不同细胞、组织和器官的复杂生命个体。

  最近20年的研究发现,表观遗传信息通过有序地开启和关闭基因的表达来调控生物体的生长、发育和分化,其中DNA甲基化(5甲级胞嘧啶)是最重要的表观遗传信息之一。但目前人们对DNA甲基化图谱能否从亲代传递到子代以及DNA甲基化信息在早期胚胎发育中的调控作用了解甚少。传统理论认为在子代发育过程中父代和母代的DNA甲基化信息在受精后几乎都被去除,而无法遗传,这种学说一直缺乏高分辨率全基因组水平甲基化图谱的直接证据。

  近日,中国科学院北京基因组研究所刘江研究员和他的研究团队在表观遗传信息遗传规律的研究方面取得了重大突破。该团队以斑马鱼为模型,发现了子代选择性地继承父代而抛弃母代的DNA甲基化图谱,这一理论有助于揭开从受精卵到个体发育的奥秘,相关研究成果被国际着名学术期刊Cell(《细胞》)于5月9日以封面文章的形式特别报道。

  斑马鱼与人类的基因相似度高达85%,幼鱼胚体透明,是公认的研究脊椎动物发育的模式生物。研究团队精确绘制了单碱基分辨率的斑马鱼卵子、精子、6个早期胚胎和精囊共9个全基因组的DNA甲基化图谱。通过海量数据分析和深度数据挖掘发现了斑马鱼精子和卵子甲基化图谱差别巨大,进一步发现(如下图所示):

  (1)斑马鱼受精后,父源DNA一直保持着精子的甲基化谱图;

  (2)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(midblastula)时,母源DNA也转变成了精子的甲基化图谱;

  (3)精子甲基化图谱的信息指导早期胚胎发育。

  此研究阐明了斑马鱼子代早期胚胎完全继承精子的甲基化图谱。之后斑马鱼以精子甲基化图谱为基础进行细微重编程,此重编程仅限于局部区域的甲基化变化,从而分化出不同细胞、器官等。研究说明在斑马鱼中除了DNA可以从亲代传递到子代外,精子的DNA甲基化图谱也可以被遗传到子代中,并用于指导胚胎早期发育。

  此研究结果颠覆了传统上认为早期胚胎发育主要是由卵子决定的观念。过去人们发现卵子的体积很大、富含蛋白质和RNA,而精子的体积很小、几乎仅能携带一半的DNA,因此推断认为决定早期发育的信息几乎都在卵子中。而此研究证明了DNA甲基化的图谱是来源于精子的。进一步实验发现,剔除细胞核的卵子加入精子细胞核(孤雄实验)能产生胚胎的发育,但如果不加入精子的细胞核仅有卵子的细胞核或再加入一个卵子的细胞核,无论如何刺激卵子都无法启动胚胎的发育(孤雌实验),这些结果也进一步证明了精子中携带的信息在胚胎发育中不可缺少的作用。

  该研究成果证明除了DNA序列之外,DNA甲基化图谱也可以被遗传。这个结果填补了表观信息遗传理论的空白,将为干细胞及其转化医学的发展和应用提供理论基础。

关键词:精子  遗传使命  贡献