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表观遗传“记忆” 在植物研究中的进展

Nature在7月24日报道,约翰英纳斯中心的研究人员发现了生物体对不同环境条件(如营养的质量或温度)形成记忆的证据,这一发现解释了记忆机制和记忆如何遗传给下一代。

约翰英纳斯中心 Martin Howard 教授和 Caroline Dean 教授共同领导这项研究。

Dean教授称,很多事例表明,基因的表达活性在一些地区长期受环境的影响;个体生存的环境能影响后代的生物学或生理学特征,但是在遗传过程中基因组却没有改变。一些研究表明,在家庭中,祖父母遭受严重的食物短缺,子孙后代患心血管疾病和糖尿病的风险就会更大,表观遗传学中通过基因是否表达获取的记忆能解释这一点。但是截止到目前,还没有一个清晰的机制能解释个体如何形成对可变因子(如营养)的“记忆”。

研究小组举出一个例子,植物如何“记住”寒冬期的天数以便在特定时期内开花。形成季节记忆后,植物的生命周期中授粉、发育、种子传播以及萌发才可在合适的时期内发生。

霍华德教授称,我们已经知道很多开花相关的基因,确定的是,这些基因根据寒冬期的长短发生特定的变化,最终影响植物的开花时间。

研究小组利用运算组合模型和实验分析方法揭示了一种记忆机制,在这种机制下,关键基因(FLC)在每一个细胞或分裂子细胞中要么完全“关闭”,要么完全“开启”。寒冷期越长,更高比例的细胞由FLC基因“开启”状态切换到“关闭”状态。开花时期被延迟,植物会形成对这一现象的表观遗传记忆。

表观遗传记忆会以不同方式出现,但是一个重要方式涉及由DNA序列缠绕的组蛋白。组蛋白会发生特定的化学修饰,这些修饰能影响附近基因的表达——“开启”或“关闭”。当细胞分裂时,这些修饰可由分裂出的新细胞继承,如果发生在生殖细胞中,组蛋白的化学修饰会遗传到后代中。

约翰英纳斯中心 Howard 教授和 Andrew Angel博士共同开发出FLC系统的运算模型,该模型可预测FLC基因在单个细胞中要么完全活化,要么完全沉默,以及寒冷期延长后,一部分细胞的FLC活跃状态切换到沉默状态。

为了提供对上述模型的实验支持,研究小组成员 Jie Song 博士使用一种可以观察细胞状态的技术,“开启”FLC基因的细胞在显微镜下呈现出蓝色。她的观察提供了明确结论:细胞要么完全“关闭”,要么完全“开启”,这一现象与理论保持一致。

Song 博士还发现,FLC基因附近的组蛋白在寒冷期被修饰,因而能够对该基因的“关闭”做出解释。

该研究由BBSRC、欧洲研究理事会和英国皇家学会资助。

植物的表观遗传“记忆”

 

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摘要
约翰英纳斯中心的研究人员发现了生物体对不同环境条件(如营养的质量或温度)形成记忆的证据,这一发现解释了记忆机制和记忆如何遗传给下一代。
关键字
表观遗传
 
 
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