研究破解精子如何「記住」父系體重、壓力等生活經歷 再傳至下一代

過去哺乳類動物的研究表明,各種環境影響例如飲食、體重和壓力的「記憶」可由父親傳給後代,但這些記憶並不存在於精子攜帶的 DNA 序列中。最新刊於 Developmental Cell 的研究則提供新解釋,指這些記憶與表觀遺傳學 (epigenetics) 有很大關係。

該研究顯示,附在 DNA 上的分子就像開關掣一樣,控制 DNA 的哪個部分被使用,但是直到此研究前人類也不知道哪一個分子可以承載父親的生活經歷所標記的環境。

領導研究的加拿大麥基爾大學表觀遺傳學家 Sarah Kimmins 指,是次研究的最大突破是確定了精子可通過一種基於非 DNA 的方法,記住父親的環境(飲食)並將該訊息傳遞至胚胎。

團隊利用小鼠,顯示通過改變精子中的組織蛋白 (histone) 分子,可以將飲食中缺乏葉酸的影響傳至下一代;組織蛋白實際上是 DNA 摺疊纏繞時所依賴的基本蛋白質線軸,在基因調控中發揮部份作用。

在哺乳類中,當雄性身體製造精子時,會丟棄當中大部分組織蛋白線軸,以令 DNA 更緊密地包起來。

但精子仍剩下一小部分組織蛋白 —— 小鼠為 1% ,人類則為 15% —— 為精子的產生、功能、新陳代謝和胚胎發育特定區域提供了 DNA 支架,從而使細胞機制可以利用這些 DNA 指示。

這些組蛋白的化學修飾,包括最常見的甲基化 (methylation) 是允許或阻止 DNA 被「讀取」,以便可以轉錄為蛋白質產物,而飲食不當會導致這些組織蛋白改變其甲基化狀態。這亦是為何葉酸對孕婦特別重要的原因:葉酸有助於穩定年輕女性的 DNA 甲基化。

通過從斷奶時開始餵養雄性小鼠缺乏葉酸的飼料,團隊能夠追踪雄性精子和所產生的胚胎中組織蛋白的變化。實際上,在發育中的胚胎中也存在精子組織蛋白的變化。團隊更發現這些影響可能是累積性的,有機會增加初生小鼠缺陷的嚴重性,而這些小鼠的先天缺陷,包括出生時發育不良和脊柱異常,在缺乏葉酸的人類中也有出現。

團隊希望,擴大對遺傳機制的了解將找到治療和預防相關疾病的新方法。 Kimmins 指,團隊下一步將確定精子組織蛋白是否可以修復並阻止有害變化。

來源:
Science Alert, We Finally Know How Sperm 'Remember' And Pass on Non-DNA-Coded Traits to Embryos, 21 March 2021

報告:
Lismer, A., Dumeaux, V., Lafleur, C. & et al. (2021). Histone H3 lysine 4 trimethylation in sperm is transmitted to the embryo and associated with diet-induced phenotypes in the offspring. Developmental Cell Vol 56 Issue 5, p671-686.E6. doi: 10.1016/j.devcel.2021.01.014

文/Alan Chiu

 

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