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但如果僅僅只是DNA序列的遺傳，難以解釋為什么一個受精卵細胞可以發育成一個包含多種不同細胞、組織和器官的復雜生命個體。 最近20年的研究發現，表觀遺傳信息通過有序地開啟和關閉基因的表達來調控生物體的生長、發育和分化，其中DNA甲基化（5甲級胞嘧啶）是最重要的表觀遺傳信息之一。但目前人們對DNA甲基化圖譜能否從親代傳遞到子代以及DNA甲基化信息在早期胚胎發育中的調控作用了解甚少。傳統理論認為在子代發育過程中父代和母代的DNA甲基化信息在受精后幾乎都被去除，而無法遺傳，這種學說一直缺乏高分辨率全基因組水平甲基化圖譜的直接證據。 近日，中國科學院北京基因組研究所劉江研究員和他的研究團隊在表觀遺傳信息遺傳規律的研究方面取得了重大突破。該團隊以斑馬魚為模型，發現了子代選擇性地繼承父代而拋棄母代的DNA甲基化圖譜，這一理論有助于揭開從受精卵到個體發育的奧秘，相關研究成果被國際學術期刊Cell（《細胞》）于5月9日以封面文章的形式特別報道。 斑馬魚與人類的基因相似度高達85%，幼魚胚體透明,是公認的研究脊椎動物發育的模式生物。研究團隊精確繪制了單堿基分辨率的斑馬魚卵子、精子、6個早期胚胎和精囊共9個全基因組的DNA甲基化圖譜。通過海量數據分析和深度數據挖掘發現了斑馬魚精子和卵子甲基化圖譜差別巨大，進一步發現（如下圖所示）： 1.斑馬魚受精后，父源DNA一直保持著精子的甲基化譜圖； 2.母源DNA在16細胞期之前，一直保持卵子的甲基化圖譜；然后卵子的甲基化圖譜作為一個整體被拋棄，并重新編程，當胚胎發育到囊胚期（midblastula）時，母源DNA也轉變成了精子的甲基化圖譜； 3.精子甲基化圖譜的信息指導早期胚胎發育。  此研究闡明了斑馬魚子代早期胚胎完全繼承精子的甲基化圖譜。之后斑馬魚以精子甲基化圖譜為基礎進行細微重編程，此重編程僅限于局部區域的甲基化變化，從而分化出不同細胞、器官等。研究說明在斑馬魚中除了DNA可以從親代傳遞到子代外，精子的DNA甲基化圖譜也可以被遺傳到子代中，并用于指導胚胎早期發育。 此研究結果顛覆了傳統上認為早期胚胎發育主要是由卵子決定的觀念。過去人們發現卵子的體積很大、富含蛋白質和RNA，而精子的體積很小、幾乎僅能攜帶一半的DNA，因此推斷認為決定早期發育的信息幾乎都在卵子中。而此研究證明了DNA甲基化的圖譜是來源于精子的。進一步實驗發現，剔除細胞核的卵子加入精子細胞核（孤雄實驗）能產生胚胎的發育，但如果不加入精子的細胞核僅有卵子的細胞核或再加入一個卵子的細胞核，無論如何刺激卵子都無法啟動胚胎的發育（孤雌實驗），這些結果也進一步證明了精子中攜帶的信息在胚胎發育中不可缺少的作用。 該研究成果證明除了DNA序列之外，DNA甲基化圖譜也可以被遺傳。這個結果填補了表觀信息遺傳理論的空白，將為干細胞及其轉化醫學的發展和應用提供理論基礎。 參與本研究的還有共同通訊作者慈維敏副研究員，并列第一作者蔣嵐、張靖、王京京等人員。 此研究得到了中科院干細胞與再生醫學先導專項、國家自然科學基金委重大研究方向細胞重編程項目和科技部“973”項目的資助。 論文鏈接：http://www./abstract/S0092-8674(13)00517-5 |
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