Cell | 线虫小RNA跨代遗传的性状分离机制
撰文 | 潘雪阳
责编 | 兮
自孟德尔遗传学发展至今，以DNA序列为基础的基因-性状经典遗传学原理和以DNA/组蛋白修饰为基础的表观遗传学理论已经被广泛接受并成为遗传学的基础理论。然而在DNA之外，非编码小RNA也被发现具有遗传物质的功能并决定多种表观遗传学性状。作为小RNA最初的发现载体，秀丽圆杆线虫（C. elegans，以下简称线虫）一直是小RNA研究的经典模型。线虫体内的多种小RNA能够转移至生殖细胞，从而完成代际间的遗传【1】，并可以通过RNA复制酶直接合成【2】。小RNA的遗传通常在代际间保持稳定【3】，但对于某些特定的内源性小RNA以及外源小RNA（如为敲降特定基因而导入的dsRNA），其代际遗传则表现出极高的差异性。例如，外源导入的dsRNA可以在一些个体多代繁殖后仍然保持其活性，而在另一些个体的繁殖中则迅速失活。虽然人们已经发现了若干调节小RNA活性的机制，但这些机制仍然无法解释一个非常明确的现象：同一亲代个体（雌雄同体线虫个体可自体受精）的若干等基因（Isogenic）子代个体同样可以表现出非常明显的表观遗传学性状差异。
2020年8月24日，以色列特拉维夫大学的Oded Rechavi实验室在Cell杂志上发表了题为“Three Rules Explain Transgenerational Small RNA Inheritance in C. elegans”的文章，对等基因线虫个体的代际遗传差异的特性进行了描述并阐述了决定这些特性的一项关键机制。
为描述等基因线虫个体的代际遗传特性，作者选取了在生殖细胞中特异性表达GFP蛋白的线虫个体，并对单一个体导入针对GFP的特异性dsRNA。在这一个体的多个等基因子一代（在实验中定义为亲代P0）中，所有个体体内的GFP表达均被有效抑制。作者随机选取了四个P0个体，在其F1和F2子代个体间出现了不同程度的形状分离，而在F3代中不同P0个体的后代产生了完全的性状分离：源自同一P0个体的F3代个体的GFP表达或全部受到抑制或全部不受dsRNA影响（图1A）。此后作者改进了导入dsRNA的条件，从幼虫时期而非成虫后开始导入。在这一条件下，作者选取了41只P0个体，并在F1代个体中即观察到了完整的性状分离（图1B）。
图1 线虫基因静默性状的代际性状分离
为研究上述形状分离是否具有基因特异性，作者观察了线虫生殖细胞中内源性小RNA介导的随机基因静默【4】，并与外源dsRNA的活性进行了对比观察。作者发现，对于内源性小RNA能够有效发挥基因静默功能的P0个体，其子代个体中的外源dsRNA也有更高比例发挥功能。由此作者发现，个体的基因静默性状不具有基因特异性；而由于内源性小RNA的活性具有随机性，作者认为线虫个体在P0代可以随机获得一个遗传状态（Inherited state），而这一状态将决定其后代个体中的小RNA活性。
图2 亲代内源小RNA基因静默活性与子代外源dsRNA活性具有相关性
通过上述对于超过20000只线虫的形状观察，作者总结得出了小RNA基因静默性状的三个代际遗传特性：（1）性状可以由亲代（P0）个体均等的传递至其所有后代；（2）亲代（P0）个体可随机获得针对小RNA活性的遗传状态；（3）随着遗传状态遗传代数的增加，亲代将遗传状态传递给子代的几率也随之增加。
图3 线虫基因静默性状代际遗传的三个特性
在描述了上述遗传性状的传递特性后，作者进一步研究了决定这些特性，尤其是等基因个体间差异的内在机制。利用内源mCherry基因静默模型，作者从等基因个体中选取了两组不同遗传状态（基因静默高效率和低效率）的线虫并对其小RNA及mRNA进行了测序。测序结果显示在具有高基因静默状态的个体中，其小RNA表达相对较低，从而个体可以占用更多的小RNA处理机制完成基因静默功能。在mRNA测序中，作者识别了349个与遗传状态相关联的差异基因并发现这些基因在个体间具有更大的差异，而在同一个体中则通常具有相同的变化趋势。通过分析，作者发现多个遗传状态相关基因的调节与转录因子Heat Shock Factor-1（HSF-1）相关，并由此对HSF-1进行了研究。通过过表达和敲降hsf-1，作者发现受HSF-1调节的基因与遗传状态相关基因存在高度重叠。并且在两个转基因模型中，都观察不到子代的性状分离：在hsf-1过表达个体中，mCherry的表达统一的受到了抑制；而在hsf-1敲降个体中mCherry则全部高效表达。由此，作者发现HSF-1在个体决定基因静默遗传状态的过程中具有重要作用。
综上所述，这项研究首次对线虫等基因个体的代际遗传多样性的特性进行了观察和描述，并发现了决定个体遗传状态的关键转录因子。这一发现加深了人们对小RNA遗传特性的理解，并为探讨表观遗传学在进化中的作用提供了新的依据。
参考文献