我们并不是基因的简单总和。饮食、疾病或生活方式等环境线索通过表观遗传机制调节基因的开启与关闭，在DNA调控中发挥重要作用。长期以来，人们一直在争论：一生中积累的表观遗传修饰是否能够跨代遗传？
如今，一项由德国马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所等机构完成的研究提供了强有力的证据，证明不仅遗传的DNA本身，而且遗传的表观遗传指令也能调节后代的基因表达。更重要的是，这项研究首次描述了这种遗传信息的生物学后果，证实母本的表观遗传记忆对新一代的发育和存活至关重要。相关成果于2017年7月14日发表在《科学》期刊上，论文标题为“Germ line–inherited H3K27me3 restricts enhancer function during maternal-to-zygotic transition”。
图片来自 MPI of Immunobiology a. Epigenetics/ F. Zenk。
人体拥有250多种不同的细胞类型，它们虽然含有完全相同的DNA序列，但肝细胞和神经细胞在形态和功能上却截然不同。这背后起作用的是表观遗传过程：表观遗传修饰在DNA特定区域添加标记，以吸引或阻挡激活基因的蛋白质。因此，每种细胞类型都会逐步形成典型的活性DNA和非活性DNA序列模式。与固定不变的DNA序列不同，表观遗传标记在一生中会发生变化，并对环境或生活方式做出反应。例如，吸烟会改变肺细胞的表观遗传组成，最终可能导致癌症。其他外部刺激，如应激、疾病或饮食，也会被储存在细胞的表观遗传记忆中。
长期以来，人们认为这些表观遗传修饰不会跨代遗传，科学家猜测一生中积累的表观遗传记忆在精子和卵子形成过程中会被完全清除。然而，最近几项研究轰动性地表明表观遗传标记确实可以跨代传递，但传递机制及其对后代的影响仍不清楚。论文通讯作者、马克斯-普朗克免疫生物学与表观遗传学研究所染色质调节系研究员Nicola Iovino说：“自20世纪90年代初表观遗传学兴起以来，我们就观察到表观遗传信息跨代遗传的迹象。例如，流行病学研究揭示了祖父的食物供应与孙辈糖尿病和心血管疾病风险增加之间的显著关联。此后，多篇报道提示表观遗传传递存在于不同生物体中，但其分子机制一直未知。”
跨代表观遗传传递
Iovino团队利用果蝇探究表观遗传修饰如何从母本传递到胚胎。他们重点关注一种名为H3K27me3的表观遗传修饰，这种修饰也存在于人体中。H3K27me3改变染色质结构，主要与抑制基因表达相关。团队发现，母本卵子中标记染色质的H3K27me3修饰在受精后的胚胎中仍然存在，即使其他表观遗传标记被擦除。论文第一作者Fides Zenk解释道：“这表明母本将其表观遗传标记传递给了后代。但我们同样感兴趣的是，这些标记是否在胚胎中发挥重要作用。”
可遗传的表观遗传标记对胚胎形成至关重要
研究人员利用多种遗传工具移除果蝇中添加H3K27me3标记的酶，结果发现缺乏H3K27me3的胚胎在早期发育中无法完成胚胎形成。Iovino说：“结果表明，表观遗传信息不仅跨代遗传，而且对胚胎本身的发育至关重要。”进一步研究发现，几种正常情况下应被关闭的重要发育基因在缺乏H3K27me3的胚胎中处于开启状态。Zenk解释道：“我们猜测在发育过程中过早激活这些基因会破坏胚胎形成，最终导致胚胎死亡。事实上，这表明表观遗传信息是正确加工和转录胚胎遗传密码所必需的。”
对人类健康的影响
研究人员认为这些发现具有深远影响。Iovino解释道：“我们的研究表明，我们不仅从父母那里遗传基因，还遗传了一种重要的、可微调的基因调节机制，这种机制可能受环境和个人生活方式影响。这为环境适应性至少在某些情况下能从生殖细胞系传递给后代提供了新的基础。”此外，由于表观遗传机制失调可能导致癌症、糖尿病和自身免疫疾病等，这些新发现可能对人类健康产生重要影响。