責編 | 酶美
當環境因素影響到生物體的體徵【1】、代謝【2】、行為【3】和壽命【4】等生理和行為特徵後，機體會以非遺傳信息的形式將這種影響因素傳遞給後代，即為表觀遺傳。表觀遺傳可以通過與DNA序列變化無關的信息，如通過DNA的甲基化、組蛋白的修飾、非編碼RNA以及小RNA等傳遞信息給後代，這種現象稱為跨代表觀遺傳（Transgenerational Epigenetic Inheritance，TEI）【5】。
溫度是重要的環境因素，機體的環境經歷不可避免地包括溫度的影響。已有研究表明，輕度的熱應激（包括由輕度的高溫刺激或短期致死性的高溫刺激所引起的熱應激）可延長機體的壽命和增加其抗逆性。這種對壓力耐受力的適應性誘導被稱為「低毒性興奮效應」，該現象已經在果蠅【6】、人成纖維細胞【7】和線蟲【8】等多種物種中被觀察到。輕度的熱休克會引起低毒性興奮效應，是因為它們會導致熱休克蛋白（HSP）的激活，進而達到延長壽命的效果。
在線蟲中，已有研究發現並闡明輕度熱壓力導致的興奮性效應機制，即當線蟲被暴露於高溫環境下，會導致激烈的熱應激，而激活包括HSF-1，DAF-16/FOXO，HLH-30/TFEB和核受體DAF-12等一系列轉錄因子，進而上調應激反應基因（hsp-70，hsp-16.2和hsp-12.6）和自噬基因（lgg-1，bec-1和unc-51），最終達到延長壽命和增加抗逆性的效應【8，9】。
既然熱激能夠增加模式生物的抗逆性、有助於蛋白穩態的維持，並延長壽命。而高溫記憶又可通過跨代表觀遺傳傳遞給後代。那麼，熱應激引起的生存優勢是否也有跨代遺傳（TEI）現象呢？如果有，其機制是什麼呢？。
2021年1月1日，來自暨南大學的周慶華課題組在Science Advances上發表了題為N6-methyldeoxyadenine and histone methylation mediate transgenerational survival advantages induced by hormetic heat stress的研究成果，報導了輕度的熱休克會導致秀麗隱杆線蟲的壽命延長，且這種現象在未經熱刺激的後代中仍然能維持到F5代，並揭示了這種跨代遺傳效應被組蛋白H3K9me3和DNA的N6-mA（DNA上的N6-甲基腺嘌呤）的修飾所介導。
為了驗證線蟲是否存在熱壓力誘導的生存優勢的跨代遺傳現象，作者將成年第一天的野生型線蟲暴露到35 ℃培養1小時【8】，然後對母體裂解獲得F1到Fn代。作者發現熱激的親代和它們的後代（後代正常培養在20 ℃）表現出壽命的顯著延長。且這種效應可以一直傳遞到F5代，即使F1-F4代從未經歷過熱激，到第六代（F6）恢復正常壽命。此外，熱激的雄性與非熱激雌雄同體交配，或非熱激的雄性與熱激的雌雄同體交配，得到的F1子代及其F2代都顯示顯著的壽命延長，這表明父系和母系均可以傳遞由熱應激誘導的信息，從而導致後代的生存優勢（下圖）。
進一步的機制研究發現，轉錄因子HSF-1、DAF-16和核受體DAF-12參與這種熱應激誘導的壽命延長的跨代遺傳的調控。為了更明確地分析hsf-1，daf-16和daf-12的作用是執行熱應激反應，或是傳遞可遺傳的記憶，還是同時參與兩者，作者通過親代（P0）或者子代（F1）代特異地RNAi沉默分析，發現hsf-1和daf-12在子代中的作用是執行熱壓力應答去延長壽命，而DAF-16不僅參與執行熱應答，還參與跨代記憶的傳遞。
由於所觀察到的熱壓力誘導的生存優勢會在有限世代內恢復到正常水平，作者猜測這一現象可能是受到表觀遺傳的調控。通過對參與表觀遺傳調控的部分基因突變株進行檢測，發現組蛋白H3K9me3修飾參與該跨代遺傳效應。H3K9me3甲基轉移酶的set-25和set-32基因的缺失【10】，消除了這種熱激誘導存活優勢的記憶效應。
除了組蛋白修飾的作用外，DNA甲基化也可以成為可遺傳信息的載體【11】。最近的研究表明，DNA N6-mA修飾介導線蟲的跨代表觀遺傳效應【4，12】。作者用dot blot分析，發現DNA的N6-mA修飾在熱激的P0代中顯著升高，且這種DNA的N6-mA修飾的增加在子代中可一直維持四代，即使子代從未受到任何熱激，這一發現與F6代恢復正常壽命一致。此外，N6-mA甲基轉移酶功能缺失突變體damt-1（lf）和damt-1（lf）在熱應激後均不提高N6-mA的水平。且生存分析發現damt-1突變體消除了熱應激記憶的傳遞。這些結果表明DNA N6-mA修飾參與熱應激誘導壽命延長的跨代遺傳。
通過採用H3K9me3 ChIP和N6-mA MeDIP技術，作者進一步揭示了H3K9me3和N6-mA這兩種修飾在熱應激誘導的生存優勢的跨代遺傳中的調控機制——在熱壓力下，一些基因的H3K9me3修飾水平降低，同時伴隨著N6-mA水平的升高，且這種表觀遺傳修飾的標記在子代中得以維持，並協同促進應激反應相關基因的轉錄，最終實現熱應激後代壽命的延長。有趣的是，在這項研究中作者發現，在參與熱激誘導生存優勢的跨代遺傳調控的轉錄因子HSF-1，DAF-16和DAF-12中，DAF-16參與調控熱壓力誘導的N6-mA升高以傳遞跨代記憶。
總結來說，這項研究發現父母代可以傳遞由熱休克誘導的信息，從而導致後代的生存受益，使得後代的壽命和健康壽命得以延長。而在這個信息傳遞過程中，涉及H3K9me3和N6-mA依賴性的跨代遺傳網絡，這些遺傳網絡賦予基因表達的改變，最終導致後代的生存優勢。這個跨代遺傳過程還依賴於轉錄因子DAF-16和HSF-1以及核受體DAF-12。也就是說，在環境壓力下，親代的熱應激會激活DAF-16，HSF-1和DAF-12來延長壽命，而其中DAF-16還調控N6-mA和H3K9me3的水平並在後代中建立這些表觀遺傳標記。反過來，子代中的H3K9me3和N6-mA標記會促進應激反應相關基因（即daf-16，hsf-1和daf-12，daf-16和hsf-1的靶基因）的募集並促進熱應激反應的激活，最終導致由熱應激介導的生存優勢的跨代表觀遺傳（下圖）。
這項研究表徵了興奮性低毒熱效應在幾代線蟲之間的傳播，並確定了其傳播的相關因素（包括應答熱壓力的重要因子以及傳遞環境記憶的表觀機制），為進一步了解由熱應激介導的後代表觀遺傳的分子機制提供了框架和研究基礎。但在整個研究中，仍然存在一些未解之謎，在整個熱激誘導生存優勢的跨代遺傳中，DAF-16，DAF-12，HSF-1，HLH-30，H3K9me3和N6-mA組成的調控網絡是如何整合和協作的，以及表觀遺傳標記如何逐漸消除和恢復，這些都是將來需要進一步深入研究的機制。
原文連結：
https://advances.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/sciadv.eabc3026
參考文獻
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