Cell | 線蟲小RNA跨代遺傳的性狀分離機制

撰文 | 潘雪陽

責編 | 兮

自孟德爾遺傳學發展至今，以DNA序列為基礎的基因-性狀經典遺傳學原理和以DNA/組蛋白修飾為基礎的表觀遺傳學理論已經被廣泛接受並成為遺傳學的基礎理論。然而在DNA之外，非編碼小RNA也被發現具有遺傳物質的功能並決定多種表觀遺傳學性狀。作為小RNA最初的發現載體，秀麗圓杆線蟲（C. elegans，以下簡稱線蟲）一直是小RNA研究的經典模型。線蟲體內的多種小RNA能夠轉移至生殖細胞，從而完成代際間的遺傳【1】，並可以通過RNA複製酶直接合成【2】。小RNA的遺傳通常在代際間保持穩定【3】，但對於某些特定的內源性小RNA以及外源小RNA（如為敲降特定基因而導入的dsRNA），其代際遺傳則表現出極高的差異性。例如，外源導入的dsRNA可以在一些個體多代繁殖後仍然保持其活性，而在另一些個體的繁殖中則迅速失活。雖然人們已經發現了若干調節小RNA活性的機制，但這些機制仍然無法解釋一個非常明確的現象：同一親代個體（雌雄同體線蟲個體可自體受精）的若干等基因（Isogenic）子代個體同樣可以表現出非常明顯的表觀遺傳學性狀差異。

2020年8月24日，以色列特拉維夫大學的Oded Rechavi實驗室在Cell雜誌上發表了題為「Three Rules Explain Transgenerational Small RNA Inheritance in C. elegans」的文章，對等基因線蟲個體的代際遺傳差異的特性進行了描述並闡述了決定這些特性的一項關鍵機制。

為描述等基因線蟲個體的代際遺傳特性，作者選取了在生殖細胞中特異性表達GFP蛋白的線蟲個體，並對單一個體導入針對GFP的特異性dsRNA。在這一個體的多個等基因子一代（在實驗中定義為親代P0）中，所有個體體內的GFP表達均被有效抑制。作者隨機選取了四個P0個體，在其F1和F2子代個體間出現了不同程度的形狀分離，而在F3代中不同P0個體的後代產生了完全的性狀分離：源自同一P0個體的F3代個體的GFP表達或全部受到抑制或全部不受dsRNA影響（圖1A）。此後作者改進了導入dsRNA的條件，從幼蟲時期而非成蟲後開始導入。在這一條件下，作者選取了41隻P0個體，並在F1代個體中即觀察到了完整的性狀分離（圖1B）。

圖1 線蟲基因靜默性狀的代際性狀分離

為研究上述形狀分離是否具有基因特異性，作者觀察了線蟲生殖細胞中內源性小RNA介導的隨機基因靜默【4】，並與外源dsRNA的活性進行了對比觀察。作者發現，對於內源性小RNA能夠有效發揮基因靜默功能的P0個體，其子代個體中的外源dsRNA也有更高比例發揮功能。由此作者發現，個體的基因靜默性狀不具有基因特異性；而由於內源性小RNA的活性具有隨機性，作者認為線蟲個體在P0代可以隨機獲得一個遺傳狀態（Inherited state），而這一狀態將決定其後代個體中的小RNA活性。

圖2 親代內源小RNA基因靜默活性與子代外源dsRNA活性具有相關性

通過上述對於超過20000隻線蟲的形狀觀察，作者總結得出了小RNA基因靜默性狀的三個代際遺傳特性：（1）性狀可以由親代（P0）個體均等的傳遞至其所有後代；（2）親代（P0）個體可隨機獲得針對小RNA活性的遺傳狀態；（3）隨著遺傳狀態遺傳代數的增加，親代將遺傳狀態傳遞給子代的機率也隨之增加。

圖3 線蟲基因靜默性狀代際遺傳的三個特性

在描述了上述遺傳性狀的傳遞特性後，作者進一步研究了決定這些特性，尤其是等基因個體間差異的內在機制。利用內源mCherry基因靜默模型，作者從等基因個體中選取了兩組不同遺傳狀態（基因靜默高效率和低效率）的線蟲並對其小RNA及mRNA進行了測序。測序結果顯示在具有高基因靜默狀態的個體中，其小RNA表達相對較低，從而個體可以佔用更多的小RNA處理機制完成基因靜默功能。在mRNA測序中，作者識別了349個與遺傳狀態相關聯的差異基因並發現這些基因在個體間具有更大的差異，而在同一個體中則通常具有相同的變化趨勢。通過分析，作者發現多個遺傳狀態相關基因的調節與轉錄因子Heat Shock Factor-1（HSF-1）相關，並由此對HSF-1進行了研究。通過過表達和敲降hsf-1，作者發現受HSF-1調節的基因與遺傳狀態相關基因存在高度重疊。並且在兩個轉基因模型中，都觀察不到子代的性狀分離：在hsf-1過表達個體中，mCherry的表達統一的受到了抑制；而在hsf-1敲降個體中mCherry則全部高效表達。由此，作者發現HSF-1在個體決定基因靜默遺傳狀態的過程中具有重要作用。

綜上所述，這項研究首次對線蟲等基因個體的代際遺傳多樣性的特性進行了觀察和描述，並發現了決定個體遺傳狀態的關鍵轉錄因子。這一發現加深了人們對小RNA遺傳特性的理解，並為探討表觀遺傳學在進化中的作用提供了新的依據。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.022

製版人：老翅膀

參考文獻

1.Rechavi, O., and Lev, I. (2017). Principles of Transgenerational Small RNA Inheritance in Caenorhabditis elegans. Curr Biol 27, R720-R730.

2. Rechavi, O., Minevich, G., and Hobert, O. (2011). Transgenerational inheritance of an acquired small RNA-based antiviral response in C. elegans. Cell 147, 1248-1256.

3. Vastenhouw, N.L., Brunschwig, K., Okihara, K.L., Muller, F., Tijsterman, M., and Plasterk, R.H. (2006). Gene expression: long-term gene silencing by RNAi. Nature442, 882.

4.Zhang, D., Tu, S., Stubna, M., Wu, W.S., Huang, W.C., Weng, Z., and Lee, H.C. (2018). The piRNA targeting rules and the resistance to piRNA silencing in endogenous genes. Science 359, 587-592.