科學家發現違反孟德爾遺傳學定律的遺傳特徵

除了基因本身之外，父母還可以傳遞表觀遺傳學變化。這些化學修飾會影響基因的功能，但不會改變底層 DNA 代碼。

現在，一項由聯邦資助的新的小鼠研究表明，其中一些遺傳的表觀遺傳標記並不遵循經典的孟德爾定律。研究人員發現，他們檢查的表觀遺傳模式中大約有 7% 的行為方式出乎意料。該研究還揭示了以前在植物和蒼蠅中見過但在哺乳動物中未見的罕見遺傳形式。

「與基因組序列本身的改變相比，表觀遺傳的非孟德爾模式可能是獲得多樣化或新性狀的更快方法，特別是在應對環境壓力時，」約翰·霍普金斯大學醫學院、懷廷工程學院和彭博公共衛生學院的彭博傑出教授、與德克薩斯農工大學的同事共同領導該研究的安德魯·范伯格醫學博士說。

結果於5月20日公佈 自然遺傳學 最突出的是伴奏 自然 簡短的。這項工作得到了美國國立衛生研究院和國家科學基金會的支持。

孟德爾遺傳定律如何解釋？

孟德爾定律描述了基因的不同副本（稱為等位基因）如何從一代傳給下一代。在哺乳動物中，後代從父母雙方繼承一個等位基因。有些等位基因是顯性的，這意味著它們的特徵被表達，而另一些等位基因是隱性的，當與顯性等位基因結合時保持隱藏。

這些原理構成了現代遺傳學的基礎。然而，科學家已經發現了涉及基因印記等遺傳機制的例外。在這些情況下，等位基因是否活躍可能取決於它是否遺傳自母親或父親，而不是顯性或隱性。

這項新研究揭示了基因印記和許多其他不符合傳統孟德爾框架的遺傳形式的更多例子。

非孟德爾表觀遺傳的新證據

在基因印記中，等位基因可以透過甲基化過程進行化學識別並有效關閉。這些標記可以起源於精子或卵細胞並傳遞給後代。

研究人員在另外五個基因中發現了指紋。

除了這些發現之外，研究小組還發現，非孟德爾表觀遺傳的發生頻率可能比之前認識的要高。他們也發現遺傳的表觀遺傳模式無法追溯到父母任何一方。

為了研究這些影響，科學家追蹤了 DNA 甲基化，這是一種常見的表觀遺傳修飾，其中含有碳和氫原子的化學基團與調節基因開啟或關閉的啟動子區域結合。

該研究檢查了三代 4 至 6 個月大的小鼠的組織樣本。第一代包括 26 隻小鼠，第二代包括 34 隻後代，第三代包括 19 隻小鼠。

研究人員分析了小鼠基因組的大部分，觀察基因序列和 12 種先前確定的遺傳 DNA 甲基化模式。

該計畫匯集了來自約翰霍普金斯大學和德克薩斯農工大學的研究人員。 Feinberg 與合著者、德州農工大學董事教授 David Threadgill 博士和約翰霍普金斯大學彭博公共衛生學院生物統計學教授 Casper Hansen 博士一起工作。約翰霍普金斯大學的研究生 Adam Davidovich 協助開發了新的實驗室和計算方法，可以同時研究基因組和甲基化數據。

沒有父母跡象而出現的特徵

在整個資料集中，研究人員發現了 522 個病例，約佔非性染色體上表觀遺傳模式的 7%，這些病例不符合孟德爾的預期。

其中有 54 種罕見或「緊急」遺傳事件，父母雙方均不存在。

在一個例子中，兩個特定等位基因缺乏甲基化的小鼠產生的後代中該等位基因的兩個拷貝都被甲基化。

「甲基化似乎突然出現，」范伯格說。

這些結果表明，一些表觀遺傳特徵可能透過尚未充分了解的機制在後代中出現。

哺乳動物突變的第一個證據

該研究還揭示了一種罕見的遺傳現象，稱為副突變，該基因稱為 Capn11這對精子的正常發育起著重要作用。該基因的人類版本的變化與不孕症和精子相關疾病有關。

當一個等位基因上的甲基化導致另一個等位基因上的甲基化時，就會發生轉座。

「就好像甲基化過程已經轉移到另一個等位基因，」范伯格說。

該變異是在與已知受環境暴露影響的重複遺傳元件相關的區域中發現的。研究人員指出，表觀遺傳學變化以前與飲食、壓力和創傷等因素有關。

對人類健康和疾病的影響

漢森表示，這些發現凸顯了在研究遺傳性狀和疾病風險時同時研究遺傳學和遺傳學的價值。

漢森說：“這項工作可能會說服科學家更頻繁地整合基因組學和表觀基因組學，以充分了解導致疾病和健康狀況的性狀是如何遺傳的。”

為了進行這項研究，該團隊依靠長讀長 DNA 定序技術，該技術可以分析長度從約 10,000 個鹼基對到超過 100 萬個鹼基對的 DNA 片段。儘管比短讀長定序更耗費人力，但該技術提供了等位基因差異和遠端甲基化位點的更清晰影像。

展望未來，研究人員計劃研究人類基因組數據中的類似遺傳模式。這類研究可以幫助臨床遺傳學家更了解遺傳性疾病，並揭示包括飲食在內的環境影響如何影響代間的表觀遺傳。

這項研究的其他作者包括德州農工大學的 Daniela Cuomo 和 Alexandra Naron；北卡羅來納大學教堂山分校的 Hang Su 和 Leonard McMillan；以及約翰霍普金斯大學的 Sandeep Kambhampati、Qingqing Kong 和 Raquel Trygvadottir。

研究的資金由美國國立衛生研究院 (DP1DK119129、R35GM149323、RM1HG008529、R01DK130333)、美國國家科學基金會和德州 A&M 健康科學中心育苗基金提供。