项目文章 | Science Advances & MeDIP和ChIP助力解析表观遗传修饰调控热应激跨代遗传

表观遗传修饰（诸如DNA甲基化、组蛋白修饰等）可以不改变碱基序列来改变生物的表型，同时可以将这种特征传递给后代。本期我们带来了一篇多种表观修饰（DNA 6mA修饰和组蛋白修饰H3K9me3）调控跨代遗传的项目文章解读，希望帮大家开拓思路。

发表单位：暨南大学

期   刊 ：Science advances（IF:13.6）

2021年暨南大学的周庆华教授研究团队在期刊Science advances（IF:13.6）发表了题为“N6-methyldeoxyadenine and histone methylation mediate transgenerational survival advantages induced by hormetic heat stress”的研究论文。该研究结果表明：秀丽隐杆线虫热应激诱导的寿命延长可以遗传给后代多达五代，进一步机制研究揭示这种跨代遗传效应被组蛋白H3K9me3和DNA的6mA修饰所介导。该研究为进一步了解热应激诱导跨代表观遗传的潜在分子机制提供了框架。爱基百客为该研究提供ChIP-seq和MeDIP-seq的技术支持。

表观遗传信息可以通过DNA甲基化、组蛋白修饰或小RNA代代相传，这种现象被称为跨代表观遗传。温度作为环境的重要因子，生物不可避免地受到温度的影响，轻度的热应激可延长寿命和抗逆性。但是，热应激否可以通过跨代表观遗传将热应激诱导的生存优势传递给后代的潜在的分子机制仍尚不清楚。

1. 热应激诱导了一种跨代遗传的生存优势

以往研究表明热应激可以延长秀丽隐杆线虫的寿命，并且温度介导的环境变化可诱导其持久的表观遗传记忆。为了研究热应激对线虫后代寿命的影响。作者对野生秀丽隐杆线虫热休克处理后使用FUDR进行其后代寿命跨代检测。结果显示热休克处理亲代P0延长了F1代的寿命，并且延长效应持续至F5代，第六代(F6)后代的寿命正常（图1.B-F）（F1至F4代动物从未经历过热休克处理）。

跨代遗传已被证明是通过卵母细胞和精子传播的。为了明确定热休克诱导的生存优势是由卵母细胞、精子还是两者兼有。作者对杂交后代进行反向交配(图1.G)和生存分析实验发现热休克雄性与非热休克雌雄同体交配的F1后代及其F2代(图1.H和I)，以及非热休克雄性与热休克雌雄同体交配的F1后代及其F2后代(图1.K和L)都表现出显著的寿命延长。这证明精子和卵母细胞都可以传递受热应激诱导的信息，从而提供生存优势。

图1. 热应激引起的寿命延长可遗传。

2. 热休克诱导的遗传提高了后代的存活率，提高了动物的适应性

蛋白稳态的丧失作为热应激改变衰老的关键标志之一,近期研究表明热应激可以显著减少蛋白质的渐进式积累。作者推测热休克对蛋白质平衡的改善也可能传递给后代。为了验证推测，作者对转基因秀丽隐杆线虫进行热应激处理，实验发现该处理在线虫代际和跨代后代中减少了α-synuclein的蛋白沉积以维持蛋白稳态(图2.A和B)。

作者进一步进行了线虫中自噬基因的监测表明热休克的P0虫和热休克亲代的F1和F2后代在皮下缝细胞中显示出明显的GFP::LGG-1点的数量增加(图2.C和D),这证明热休克诱导的自噬是可遗传的，这与跨代遗传有关。此外热休克诱导的自噬受转录因子HLH-30调控，热应激记忆传递给后代，导致热休克亲代未育后代细胞核中蛋白水平显著升高和HLH-30积累(图2.E)。综上所述，高温记忆导致后代自噬的上调，这有助于热应激诱导的生存益处的跨代表观遗传。

图2. 热应激对秀丽隐杆线虫适应性的影响。

3. 热休克诱导的跨代遗传需要HSF-1、DAF-16/FOXO和DAF -12/FXR

为了研究热应激的分子机制，作者对两种转录因子和一种核受体的作用进行了评估。HSF-1是一种高度保守的转录因子，在热应激反应中起作用。作者实验发现HSF-1的缺失将导致P0、F1和F2代在热应激诱导下的寿命延长缺陷(图3.A)。此外，作者在RNAi敏感rrf-3突变体亲代热应激后的F1和F2代中进行hsf-1干扰发现其生存优势丧失，这表明hsf-1在后代中介导了寿命延长（图3.F和E）。热应激处理P0与热休克处理的HSF-1都定位于细胞核，且热应激处理时其表达水平不变，热休克亲代的F1后代则保持HSF-1核亚细胞定位。这表明HSF-1参与热应激反应和热效应的跨代遗传。

转录因子DAF-16和核受体DAF-12在热应激中具有重要作用。实验发现daf-16和daf-12的功能丧失同样在P0、F1或F2代中完全抑制了热应力诱导的寿命延长(图3.B和C)。亲代热应激后的F1和F2代中进行daf-16和daf-12干扰发现热应激寿命延长的消失(图3.G和H)。

作者想要明确hsf-1、daf-16和daf-12的作用是实现热应激反应，还是传递遗传基因，或者两者都有。作者使用RNAi技术对亲代热应激后的F1代中分别进行hsf-1、daf-12和daf-16的沉默，对F2代进行寿命分析(图.3I)，并提出以下假设：第一，如果传递温度记忆需要一个基因，那么在F1代中该基因的沉默将导致跨代记忆传递基因的缺失，从而导致F2代延长寿命表型的消失。第二，如果一个基因只在一个激效反应中起作用，该基因在F1代中的沉默应该只影响F1代后代的寿命，F2代中则检测到寿命延长表型。排除RNAi效应不会传递给下一代后，实验表明F1中daf-12或hsf-1的沉默并没有取消F2的寿命延长(图3.J到L)，这表明daf-12和hsf-1只参与实现热应激反应；daf-16在F1中的沉默导致F2的寿命延长丧失(图3.M)，表明daf-16参与实现热应激反应和传递遗传基因。

图3. DAF-16、DAF-12和HSF-1是跨代遗传所必需。

4. 热休克引起的跨代表观遗传需要H3K9me3组蛋白修饰

由于所观察到的热压力诱导的生存优势会在有限世代内恢复到正常水平，作者猜测这一现象可能是受到表观遗传的调控。作者对编码H3K9me3甲基转移酶的set-25或set-32基因的敲低损害了动物后代的生存优势(图4.E和G)，但其功能缺失突变体在热休克条件下具有类似的延长寿命（图4.C和D），这表明set-25和set-32都不是实现热应激反应所必需的。此外，热应激亲代的F1和F2后代中set-25或set-32的RNAi发现其寿命优势取消，这表明set-25和set-32是传递热应激记忆所特别需要的。

为了明确热应激诱导的延长寿命效应是否与特定位点H3K9me3的遗传变化有关。作者通过RNA测序(RNA-seq)和染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)比较H3K9me3峰富集的变化发现热休克后基因启动子处的H3K9me3峰明显降低。此外，通过RNA-seq和ChIP-seq数据表明在热应激作用下，动物激活一系列转录因子和核受体调节参与应激反应的基因表达。CHIP-qPCR表明P0热应激反应和长寿相关基因的启动子中H3K9me3占据的位点数量明显减少。F1代和F2代中，P0的下降保持不变(图4.F)。热应激反应相关基因的组蛋白H3K9me3水平降低，但转录物水平显著升高(图4.H)。

综上所述，染色质标记在热休克后的P0代中建立，这些标记在后代中持续存在以传递遗传记忆。

图4. 热应激诱导跨代遗传需要组蛋白H3K9me3修饰子。

5. 6mA DNA修饰介导热休克导致跨代表观遗传

除了组蛋白修饰的作用外，DNA甲基化也可以成为可遗传信息的载体。近期研究表明6mA修饰的DNA介导秀丽隐杆线虫的跨代表观遗传。作者通过dot blot分析发现热应激动物P0的6mA升高并维持4代(图5.C)。

实验表明6mA甲基转移酶突变体damt-1(tm6887)和damt-1(gk961032)和6mA去甲基化酶突变体nmad-1 (ok3133)在热应激后未能提高6mA的水平，但damt-1和nmad-1缺失突变体的生存分析发现其功能丧失使热应激P0及其F1和F2后代的生存优势消失(图5.B和E)。热休克P0的F1和F2线虫中damt-1 RNAi的寿命检测发现在F1或F2后代中热应激益处的消失，这表明damt-1在后代中起到延长寿命的作用。单独给F1代进行damt-1 RNAi，测量F2的寿命也发现消除了热应激的益处，这表明damt-1有助于传递热应激记忆。

为了确定哪些6mA修饰的基因在动物遭受热应激时受到影响，作者免疫沉淀了6mA修饰的DNA并进行了随后的测序(MeDIP-seq)。MeDIP-seq结果显示，热应激后，部分基因的6mA DNA修饰显著增加，部分基因的修饰减少(图5.G)。近期研究表明超过80%的6mA DNA标记区域与异染色质组蛋白修饰（H3K9me3和/或 H3K27me3）占据的区域相交。作者推测热应激下DNA甲基化修饰区与组蛋白甲基化修饰区之间存在关系。实验表明在基因组的相同位点上发现了6mA和H3K9me3标记(图5.J)。MeDIP-qPCR分析表明对于热应激反应相关基因，H3K9me3减少(图4.F)和6mA升高(图5.K)增加了转录水平(图4.H)。这表明在高温胁迫下，6mA的升高和H3K9me3的降低共同促进了应激反应基因的转录，从而延长了寿命。此外，作者为了确定响应热应激的因素诱导寿命延长是否可以建立或维持急性热应激后染色质图谱的变化。作者对daf-12、 daf-16和hsf-1相应的突变体进行dot blot分析发现daf-16在热应激后调节6mA水平(图5.H和I)。

综上所述，由热应激诱导的跨代表观遗传需要daf-16、H3K9me3和6mA修饰，它们在遗传记忆的传递中发挥了重要作用。

图5. DNA 6mA介导热应激诱导跨代遗传。

该研究证明了亲代热应激可跨代延长后代寿命，使其生存受益。在热应激处理后信息传递过程中，组蛋白H3K9me3和DNA的6mA修饰介导了这种生存优势的跨代遗传。跨代热应激遗传还依赖于daf-16、hsf-1和daf-12。亲代热应激激活daf-16、hsf-1和daf-12来延长寿命，daf-16调节6mA和H3K9me3水平，并在后代中建立这些表观遗传标记。反过来，H3K9me3和 6mA 标记后代基因组以促进应激反应相关基因(即daf-16，hsf-1以及 daf-12，daf-16和 hsf-1的靶基因)的募集，并促进热应激反应的激活，最终导致生存益处的跨代表观遗传（图6）。

图6. 热应激诱导生存优势跨代遗传模型图。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc3026

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