Science：表观遗传学的“神秘花园”

　　

生物通报道：许多研究者都在探寻各种复杂性状背后的遗传学基础。然而，大家往往忽视了天然表观遗传学变化为表型带来的多样性。表观遗传学突变发生在DNA序列之外，将其与DNA序列突变区分开是一项富有挑战性的工作。

在本期Science杂志上Cortijo等人向人们展示，表观等位基因( epialleles)与拟南芥两个复杂性状的可遗传突变有关。表观等位基因是指，DNA序列相同但甲基化模式不同的等位基因。这些数据表明，表观等位基因对可遗传的复杂性状有着重要贡献，是达尔文进化机制的基础之一。

研究人员将具有DNA甲基化缺陷的突变株ddm1与相应的野生型拟南芥杂交，建立了独特的表观遗传重组自交系epiRIL。动物中的DNA甲基化会经历广泛的消除和重排，与之不同的是植物基因组中的DNA甲基化可以世代相传。

此前的研究显示，在epiRIL群体中存在广泛的性状差异，例如株高、果实大小、果实数量、开花时间、萌发率、以及对细菌感染的应答等。这些DNA甲基化差异造成的多样性，类似于自然界中出现的可遗传多样性。

不过当时人们还不清楚，epiRIL中的DMR（甲基化存在差异的区域）是否足够稳定，能否经受人工选择或自然选择。Cortijo等人成功利用DMR甲基化状态的遗传图谱，对两个高度可遗传的复杂性状进行了连锁分析，即开花时间FT和主根长度RL。他们鉴定了三个开花时间QTL（数量性状位点）和三个主根长度QTL，而这些QTL的叠加效应可以解释他们观察到的大部分表型差异。研究显示，epiRIL中的表观等位基因至少可以稳定存在八代，而且能够影响可观察到的表型。

Cortijo的研究依赖于人工诱导形成的表观等位基因，这就引出了一个问题，这些结果是否可以应用于野生的拟南芥。为了解决这一问题，Cortijo等人对138种野生拟南芥进行了全基因组重亚硫酸盐测序，并将鉴定到的野生DMR与epiRIL中出现的DMR进行比较。他们发现，epiRIL中大约有30%的DMR也存在于自然界中。这样的重叠说明，这些位点可能是一些“遗传性缺失”现象的原因。研究人员还指出，在自然界种群中有相当多的等位基因突变是DNA甲基化造成的。（尽管无数科研人员在经年累月地进行研究，但人们还是未能找到许多性状背后的遗传因素，这一现象被称为“遗传性缺失missing heritability”。推荐阅读：Nature：破解遗传性缺失之谜）

表观等位基因可能受到环境诱导而形成，并帮助物种适应环境的变化。虽然还缺乏足够的证据，但这种可能性已经引起了人们的广泛兴趣。下一步可以首先确定，环境是否能够影响天然表观等位基因的发生率。

 

生物通编辑：叶予

生物通推荐原文摘要：

Mapping the Epigenetic Basis of Complex Traits

Quantifying the impact of heritable epigenetic variation on complex traits is an emerging challenge in population genetics. Here, we analyze a population of isogenic Arabidopsis lines that segregate experimentally induced DNA methylation changes at hundreds of regions across the genome. We demonstrate that several of these differentially methylated regions (DMRs) act as bona fide epigenetic quantitative trait loci (QTLepi), accounting for 60 to 90% of the heritability for two complex traits, flowering time and primary root length. These QTLepi are reproducible and can be subjected to artificial selection. Many of the experimentally induced DMRs are also variable in natural populations of this species and may thus provide an epigenetic basis for Darwinian evolution independently of DNA sequence changes.