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动物基因组印迹起源于最低等脊椎动物

2011/12/07 来源:科学网
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导读
基因组印记又称为遗传印记,是指在配子或合子发生期间,来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰,导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性。

来自浙江大学生命科学学院的研究人员近日在国际学术期刊《表观遗传学》(Epigenetics)上发表了题为“Germ cell-specific DNA methylation and genome diploidization in primitive vertebrates”的研究论文,解析了基因组DNA甲基化印记的起源和功能。

领导这一研究的是浙江大学生命科学学院生物技术系罗琛教授。罗琛教授主要从事脊椎动物胚胎早期发育的基因表达调控研究。采用金鱼和斑马鱼人工雌核发育单倍体系统,通过对表达活性不同的单等位基因的分析,研究脊椎动物发育过程中组织特异性和等位基因特异性甲基化式样如何在基因组上建立,以及单等位基因表达和二倍体依赖型发育模式的表观遗传调控机制;以回答发育过程中基因组整体水平上的基因选择性表达表达时空秩序这一发育生物学的核心问题,作为主要研究人员获得教育部科技进步二等奖。

基因组印记(Genomic imprinting),又称为遗传印记(Genetic imprinting),是近年来发现的一种不遵从孟德尔定律的依靠单亲传递某些遗传学性状的现象,是指在配子或合子发生期间,来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰,导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性,具有这种现象的基因称为印记基因(imprinted gene)。尽管目前科学家们在高等生物,如显花植物和胎盘类哺乳动物中发现了基因组印记现象,并展开了广泛的研究工作,但基因组DNA甲基化印记的进化起源和功能仍是尚未搞清楚的重要基础科学问题之一。

在这篇文章中,罗琛教授实验室研究了两性生殖的二倍体金鱼以及单性生殖的多倍体金鱼卵子、精子和早期胚胎等各个发育阶段中发育决定基因ntl启动子pG岛甲基化状态,以及对表达和胚胎发育的影响。研究人员采用亚硫酸氢盐基因组测序法测序分析,结果显示二倍体金鱼母本等位基因启动子甲基化发生在配子形成过程中,而父本等位基因在卵裂过程中仍维持表观遗传非对称。而在多倍体金鱼中ntl启动子则不发生甲基化修饰。采用基因敲除方法抑制甲基化CpG依赖的转录阻抑物Kaiso表达,则可显著地提高胚胎发生早期母本等位基因的甲基化水平,并修复了二倍体金鱼的雌核发育单倍体早期脊索形成。这一结果表明母本ntl等位基因沉默发生在胚胎形成早期,这种早期沉默依赖于甲基化CpG结合蛋白Kaiso。利用单序列多态性分析方法在二倍体金鱼中解析父本和母本转录物,我们证实非甲基化的父本等位基因在2-细胞阶段开始转录,并在卵裂期保持转录活性。

这些结果表明动物中基因组印迹起源于最低等的脊椎动物,通过抑制单性生殖而调控脊椎动物基因组加倍-二倍化进化过程。这一研究也揭示了脊椎动物DNA的表观遗传修饰影响遗传的一种方式。


Germ cell-specific DNA methylation and genome diploidization in primitive vertebrates

Shanshan Ma, Wanxu Huang, Lei Zhang, Shufang Zhao, Ying Tong, Zhenghua Liu, Lei Sun, Haiyan Chen and Chen Luo

Genomic imprinting in mammals causes certain genes to be expressed according to their parental origin and thereby prevents parthenogenesis. However, the evolutionary origin and significance of genomic imprinting remains unclear. Here, we study the methylation status of ntl, a developmentally decisive gene, in egg, sperm and early embryos at various developmental stages in bisexual diploid fish and unisexual polyploid fish. Bisulfite sequencing analysis revealed that maternal-specific methylation occurs at ntl promoter during gametogenesis in bisexual diploid fish, where the epigenetic asymmetry of the parental alleles is maintained during cleavage, but methylation does not occur at ntl promoter in unisexual polyploid fish. Knocking down Kaiso, a methyl-CpG dependent transcription repressor, greatly increased the expression level of the methylated maternal allele during early embryogenesis and rescued the failure of anterior notochord formation in the gynogenetic haploid of bisexual fish. This indicated that the methylated maternal ntl allele is silent during early embryogenesis and this early silencing is dependent on the methylated-CpG binding protein Kaiso. Using single sequence polymorphisms in distinguishing paternally and maternally derived transcripts in the diploid fish, we demonstrated that the unmethylated paternal allele begins transcription at the 2-cell stage and maintains transcriptional activity during cleavage. These results suggest that genomic imprinting originates from primitive vertebrates in association with genome diploidization and bisexual reproduction during vertebrate genome evolution and has a clear effect in preventing parthenogenesis.

文献链接:http://www.landesbioscience.com/journals/7/article/18177/

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