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普林斯顿大学的研究人员表示学习后的回避行为可以被遗传多代

普林斯顿大学的研究人员发现学习行为可以在秀丽隐杆线虫中多代遗传,通过卵子和精子细胞从父母传给子代。Rebecca Moore,Rachel Kaletsky和Coleen Murphy详细介绍了这一发现的论文发表在6月13日的Cell杂志上。

普林斯顿大学的研究人员表示学习后的回避行为可以被遗传多代

众所周知,生物体的特征是通过种子的卵子和精子从父母传给后代的基因编码的。某些性状的遗传完全取决于个体是否从每个亲本接受相关基因的显性或隐性形式。其他遗传性状受遗传组成和营养,温度或环境压力等因素的影响,这些因素可影响相关基因的表达水平。其遗传不仅由DNA序列驱动的特征被称为“表观遗传”(前缀“epi”表示“在...之上”)。

由于表观遗传机制,生物体的表型在其生命周期中可能发生变化。例如,在微观蛔虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)中,饥饿或热应激促使动物通过改变多个基因的表达来适应这些条件。在基因组水平上,通过改变编码基因的DNA的紧密程度,可以使这些变化变得持久,从而调节其对RNA转录机制的可及性。或者,细胞可以参与破坏或隔离蛋白质编码RNA转录物的机制。当这些修饰在生殖细胞中进行时,它们可以传递给后代,这种现象被称为跨代表观遗传。研究表明,秀丽隐杆线虫对饥饿和热应激的适应可以遗传几代。可能会以这种方式传递更复杂的表型,例如行为改变?

在它们的自然环境中,蠕虫与许多不同的细菌物种接触。其中一些是营养食物来源,而另一些则会感染并杀死它们。蠕虫最初被病原体铜绿假单胞菌吸引,但在感染后,他们学会避免它。否则他们会在几天内死去。“

普林顿分子生物学系和Lewis-Sigler综合基因组学研究所教授Coleen Murphy

摩尔和她的同事们研究了秀丽隐杆线虫能否将这种学习的回避行为传达给他们的后代。他们发现,当母蠕虫学会避免致病性铜绿假单胞菌时,他们的后代也知道要避免细菌。即使从未遇到病原体,后代对假单胞菌的自然吸引力也被超越。值得注意的是,这种遗传的厌恶行为持续了四代,但在第五代,蠕虫再次被假单胞菌吸引。另一个令人惊讶的是,研究人员观察到学习回避的遗传并不是所有病原菌的普遍存在;虽然母蠕虫可以学会避免致病性细菌粘质沙雷氏菌,这种细菌比线虫中的假单胞菌少。'环境,这种厌恶并没有传给后代。令人感兴趣的是,研究人员开始探索什么控制铜绿假单胞菌避免行为的传播。

“继承这种学习避免的过程[也]需要小RNA的活动,称为piRNA,”墨菲说。piRNA与秀丽隐杆线虫中的其他跨代表观遗传途径有关,在那里它们被认为可以沉默基因表达并间接调节DNA包装。研究人员发现,piRNA相关蛋白PRG-1虽然不是秀丽隐杆线虫母亲学习避免铜绿假单胞菌所必需的,但它是后代daf-7表达增加和遗传性回避行为所必需的。piRNA和PRG-1是否主要在母体,子代或两者中起作用以促进回避行为的遗传尚不清楚。作者表明,秀丽隐杆线虫的母亲实际上必须患上摄入铜绿假单胞菌,才能避免向后代传播;暴露于病原体排放的气味不足以引起回避。尽管如此,神经元感觉通路对遗传性避免很重要,因为母亲及其后代的避免行为与几种神经元相关基因的上调表达有关。其中,TGF-β的表达升高。母亲的配体daf -7需要后代继承病原体厌恶症。Moore和她的同事们发现,某种类型的感觉神经元ASI神经元中daf-7的表达与遗传性回避行为密切相关。

重要的是,daf-7的表达在后代的ASI神经元中仍然升高了四代,然后在第五代中恢复到基础水平,这是遗传的回避行为也消失的时候。正如墨菲所指出的那样,尽管避免行为的继承提供了生存优势,但这种避免行为最终还是必须消失。那是因为铜绿假单胞菌在高温下只是致病性的;在较低温度下,与其他假单胞菌物种一样,食物越来越安全。如果致病威胁是暂时的,最终遗传的遗传避免使后代能够重返营养性假单胞菌。

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