在不改變DNA中的遺傳密碼的情況下，表觀遺傳學的修改可以改變基因的表達方式，影響一個生物體的健康和發展。基因表達的這種變化可以被遺傳，這曾經是一個激進的想法。現在，它背後有越來越多的證據，但涉及的機制仍然不為人所知。加州大學聖克魯茲分校的科學家們在一項新研究中表明，一種常見的表觀遺傳修飾類型不僅可以通過精子傳給後代，還可以傳給下一代（“孫子”）。這被稱為“跨代表觀遺傳”。

它可以解釋一個人的健康和發展如何受到他或她的父母和祖父母經歷的影響。

該研究於9月26日那一周發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，重點關註一種組蛋白的特殊修飾，它改變了DNA在染色體上的“包裝”方式。這種被廣泛研究的表觀遺傳標記（稱為H3K27me3）被認為可以關閉或“壓制”受影響的基因。它存在於所有多細胞動物中–從人類到這項研究中使用的秀麗隱桿線蟲（C. elegans）。

通訊作者Susan Strome說：“這些結果在精子傳遞的組蛋白標記和基因表達以及子代和孫代的發展之間建立了因果關係。”她是加州大學聖克魯茲分校分子、細胞和發育生物學的名譽教授。

組蛋白是參與在染色體中包裝DNA的主要蛋白質。被稱為H3K27me3的表觀遺傳標記是指組蛋白H3中某個氨基酸的甲基化。這導致DNA被更密集地包裝，使該區域的基因不易被激活。

在最近的工作中，這種組蛋白標記被有選擇地從秀麗隱桿線蟲精子的染色體上剝離，然後用來使具有完全標記的染色體的卵子受精。在產生的後代中，科學家們觀察到了異常的基因表達模式，父系染色體上的基因（從精子中繼承）在沒有壓制性表觀遺傳標記的情況下被打開或“上調”。

這導致組織打開了它們通常不會表達的基因。例如，生殖系統組織（產生卵子和精子）開啟了通常在神經元中表達的基因。

Strome說：“在我們分析的所有組織中，基因都是異常表達的，但是在不同的組織中，不同的基因被打開了，這表明組織背景決定了哪些基因被上調。”

對後代種系組織中的染色體的分析表明，上調的基因仍然缺乏抑制性組蛋白標記，而未上調的基因上的標記已經恢復。

Strome解釋說：“在後代的種系中，一些基因被反常地開啟並保持在缺乏壓制性標記的狀態，而基因組的其他部分則重新獲得了標記，並且這種模式被傳遞給了孫子。我們推測，如果這種DNA包裝模式在生殖系中得到維持，它就有可能傳給無數代人。”

在祖代中，研究人員觀察到一系列的發育效果，包括一些完全不育的蠕蟲。這種混合的結果是由於染色體在產生精子和卵子的細胞分裂過程中如何分佈，導致許多不同的染色體組合可以傳遞給下一代。

Strome實驗室的研究人員多年來一直在研究優雅動物的表觀遺傳，她說這篇論文代表了他們在該領域工作的頂峰。她指出，其他研究哺乳動物細胞培養的科學家已經報告了與她的實驗室在蠕蟲中的發現非常相似的結果，儘管這些研究沒有顯示出跨多代的傳遞。

她說：“這看起來是動物中基因表達和發育的一個保守特徵，而不僅僅是一個奇怪的蠕蟲特有的現象。我們可以在優雅動物中做驚人的遺傳實驗，這在人類中是做不到的，我們在蠕蟲中的實驗結果可以對其他生物體產生廣泛影響。”