在两性生殖的物种中，一个受精卵逐渐分裂，发育出不同的细胞，形成各种组织和器官，最终形成生物个体。科学研究发现，在生物体的发育过程中，仅有DNA是不够的。表观遗传信息控制着受精卵的发育，“调控”着哪些细胞发育成皮肤，哪些细胞发育成心脏，哪些细胞发育成骨骼……但科学家们无法确定的是，表观遗传信息能否遗传？
我国科学家的最新研究发现：表观遗传信息中重要的一类——DNA上的甲基化是可以遗传的，而且精子所携带的表观遗传信息被传递到子代，并调控着早期胚胎发育基因表达的“开关”。这是世界上首次在实验中证明某些表观遗传信息也可以被完整地遗传，并颠覆了早期胚胎发育主要由卵子决定的传统观点。这一被称为将“修改教科书的成果”，以封面文章的形式发表在最新一期国际著名学术期刊《细胞》（Cell）杂志上。
中国科学院北京基因组研究所刘江研究员带领的科研团队发现了这一重要规律。刘江介绍，在两性生殖的物种中，子代从父本和母本那里分别继承了一半的细胞核DNA，子代的每个细胞都具有相同的DNA序列。但科学家们研究发现，还有一些信息在生物体从受精卵发育到一个完整生命体的过程中起重要的作用，这些信息就是“表观遗传信息”，它们不改变DNA序列，却能调控基因组活动。正是表观遗传信息使得动物在一套DNA序列的基础上，从一个受精卵分化成200多种细胞；而这些不同的细胞，最终形成各类不同的组织器官，例如大脑、心脏、肝、肺等等。
DNA上的甲基化是表观遗传信息中最重要的一类。刘江和他的科研团队以斑马鱼为模式生物，绘制了其多个发育阶段的全基因组DNA甲基化图谱。“斑马鱼是公认的研究脊椎动物发育的模式生物，它与人类的基因相似度高达85%。而且斑马鱼的卵子在体外受精和发育，胚体透明，能提供充足的实验材料。”
他们发现，在斑马鱼受精卵的发育过程中，精子的甲基化谱图一直存在；而从受精卵细胞的第五次细胞分裂开始，卵子的甲基化图谱便开始消失，刘江说：“卵子的甲基化图谱作为一个整体被抛弃，并重新编程，当胚胎发育到囊胚期时，母源DNA都变成了精子的甲基化图谱。”这说明斑马鱼除了DNA可以遗传外，精子的DNA甲基化图谱也可以被遗传到子代，并指导胚胎早期发育。
“表观遗传信息除了能使个体发育、成长外，还与很多种疾病，例如肿瘤的产生密不可分。”刘江表示，研究小组正在进行两栖动物和哺乳动物的相关研究。这一结果不仅填补了表观信息遗传理论的空白，为干细胞及其转化医学的发展和应用提供理论基础，而且还为体外组织器官的诱导产生、克隆、体外受精生殖技术等，以及一些疾病的治疗提供了新的思路。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1016/j.cell.2013.04.041
PMC:
PMID:
Sperm, but Not Oocyte, DNA Methylome Is Inherited by Zebrafish Early Embryos
Lan Jiang, Jing Zhang, Jing-Jing Wang, Lu Wang, Li Zhang, Guoqiang Li, Xiaodan Yang, Xin Ma, Xin Sun, Jun Cai, Jun Zhang, Xingxu Huang, Miao Yu, Xuegeng Wang, Feng Liu, Chung-I Wu, Chuan He, Bo Zhang, Weimin Ci, Jiang Liu
5-methylcytosine is a major epigenetic modification that is sometimes called “the fifth nucleotide.” However, our knowledge of how offspring inherit the DNA methylome from parents is limited. We generated nine single-base resolution DNA methylomes, including zebrafish gametes and early embryos. The oocyte methylome is significantly hypomethylated compared to sperm. Strikingly, the paternal DNA methylation pattern is maintained throughout early embryogenesis. The maternal DNA methylation pattern is maintained until the 16-cell stage. Then, the oocyte methylome is gradually discarded through cell division and is progressively reprogrammed to a pattern similar to that of the sperm methylome. The passive demethylation rate and the de novo methylation rate are similar in the maternal DNA. By the midblastula stage, the embryo’s methylome is virtually identical to the sperm methylome. Moreover, inheritance of the sperm methylome facilitates the epigenetic regulation of embryogenesis. Therefore, besides DNA sequences, sperm DNA methylome is also inherited in zebrafish early embryos.
