男性不育症是一种男性常见疾病，在美国每年有百万的男性患病。不能生成精子是男性不育症的常见因素之一。近日宾夕凡尼亚州大学医学院的研究者利用酵母作为生物体模型对男性不育症的分子机制进行了研究。
由于酵母孢子的形成过程与哺乳动物精子的形成过程非常相似，宾夕法尼亚大学医学院教授，表观遗传学计划的负责人Shelley Berger博士和Jér?me Govin博士以及法国国家卫生研究所的Saadi Khochbin选择酵母作为生物体模型进行研究。他们对酵母进行了筛选试图找到不能生成孢子的突变体。他们的最终目的是揭示生殖细胞（配子）形成过程中表观遗传学对基因表达调控的机制。在研究中他们发现有几个蛋白的位点在精子和卵子形成过程中起重要表观调控作用。这几个对配子形成起关键作用的蛋白可能成为人类男性不育症的重要生物标记。他们的研究成果发表在本月的《Genes and Development》杂志上。
表观遗传是指并非通过DNA序列，而是通过一种比遗传突变更精细的机制影响细胞表达蛋白的功能而影响生物体遗传。表观遗传因子并不会改变密码子的阅读，而是用一种类似开关的机制对表达的高低进行调控。
精子和卵子形成受到严格的表观遗传调控。人类精子和卵子（配子）只包含23条染色体即亲代体细胞一半的染色体，配子形成的过程是通过一种特殊的细胞分裂——减数分裂实现的，细胞减数分裂过程受到严格的分子调控。那么表观遗传因子是如何在这一过程中发挥作用的呢？
在研究初期，Berger, Govin和他们的同事们发现在孢子形成缺陷的酵母中存在着组蛋白H3和组蛋白H4的突变。
细胞中的DNA并不是自由漂浮的相互缠绕的线团，它紧密地缠绕着蛋白聚合体。这些蛋白聚合体是由组蛋白构成的，当DNA与这些蛋白聚合体的缠绕发生松紧变化时就会影响基因表达。Berger和他的研究小组对酵母突变体进行了超过一百次的测试从而确定了组蛋白修饰是配子形成的关键因素。
Berger和Govin分析证实组蛋白H3和H4位点变化是非常重要的影响因素。研究小组发现组蛋白3的第11个苏氨酸位点是一个关键的修饰位点，该位点磷酸化是完整的减数分裂所必需的。研究者还发现组蛋白H4的三个赖氨酸的乙酰化使得染色体DNA有效压缩进成熟的孢子。研究小组证实在老鼠配子形成过程同样发生了这些修饰，并鉴定了可“读写”这些修饰一些候选蛋白。
Berger认为他们的研究有着非常重要的意义。第一，他们建立了一种筛选方法鉴定精子或卵子形成过程中的表观遗传学改变。Govin正应用这种模式对其他组蛋白进行研究。第二，它证实了酵母孢子的形成与哺乳动物配子形成的机制非常相似，突破了对小鼠进行遗传筛选的固有的技术障碍。最后，假定这些表观遗传学标记物同样在人类存在，并与人类标记物功能相似。这个研究确定了人类男性不育症的可能的生物标记。
“几乎可以肯定某些不育症与表观遗传学相关。”Govin说
Berger认为如果在进化过程配子形成是保守的，那么在研究中发现组蛋白的修饰有可能只是冰山一角。“我们将会找到新的染色质调控机制，并且证实这些机制在酵母及小鼠中都是保守的。”Berger预测说。（生物谷Bioon.com）
生物谷推荐原文出处：
Genes Dev. doi:10.1101/gad.1954910
Systematic screen reveals new functional dynamics of histones H3 and H4 during gametogenesis
Jér?me Govin1, Jean Dorsey1, Jonathan Gaucher2,3, Sophie Rousseaux2,3, Saadi Khochbin2,3 and Shelley L. Berger1,4,5,6
1Department of Cell and Developmental Biology, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA;
2INSERM, U823, Grenoble, Cedex 9, France;
3Université Joseph Fourier, Institut Albert Bonniot, Grenoble, Cedex 9, France;
4Department of Genetics, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA;
5Department of Biology, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania 19104, USA
Abstract
Profound epigenetic differences exist between genomes derived from male and female gametes; however, the nature of these changes remains largely unknown. We undertook a systematic investigation of chromatin reorganization during gametogenesis, using the model eukaryote Saccharomyces cerevisiae to examine sporulation, which has strong similarities with higher eukaryotic spermatogenesis. We established a mutational screen of histones H3 and H4 to uncover substitutions that reduce sporulation efficiency. We discovered two patches of residues—one on H3 and a second on H4—that are crucial for sporulation but not critical for mitotic growth, and likely comprise interactive nucleosomal surfaces. Furthermore, we identified novel histone post-translational modifications that mark the chromatin reorganization process during sporulation. First, phosphorylation of H3T11 appears to be a key modification during meiosis, and requires the meiotic-specific kinase Mek1. Second, H4 undergoes amino tail acetylation at Lys 5, Lys 8, and Lys 12, and these are synergistically important for post-meiotic chromatin compaction, occurring subsequent to the post-meiotic transient peak in phosphorylation at H4S1, and crucial for recruitment of Bdf1, a bromodomain protein, to chromatin in mature spores. Strikingly, the presence and temporal succession of the new H3 and H4 modifications are detected during mouse spermatogenesis, indicating that they are conserved through evolution. Thus, our results show that investigation of gametogenesis in yeast provides novel insights into chromatin dynamics, which are potentially relevant to epigenetic modulation of the mammalian process.
