文摘
表型变异,表型可塑性和表型性状的遗传构成的基本地面流程如个性化、个体和物种适应并最终形成。尽管传统进化思维依赖于基因突变内部和跨物种表型变异的主要来源,最近的研究表明,基因转录和翻译的表观遗传调制,表观遗传记忆,和表观遗传继承是目前最常见的可靠的继代的可变性来源中可行的个人和整个生物的物种内。因此,个性化和物种形成应该视为nonmutational表观遗传现象。
1。介绍
表型变异个体在不同生物的物种繁荣是至关重要的。事实上,通过扩大每个物种表型,生物种群克服环境突发事件的可能性增加。表型变异不仅是重要的在物种水平提高的可能性,保证其连续性;这也是新物种的出现的核心过程中进化。几十年来,进化思想宣称个人或群体表型变异和物种形成主要源于基因突变和基因等位基因多态性(即。自然选择、遗传漂变)结合,地理和性隔离,和父母之间的基因流的中断和新兴的物种。尽管这种观点仍然强劲,深受传统的进化生物学家,最近的发现支持表型变化也从变化结果控制基因表达的表观遗传机制在个体发育和成年配子发育期间。显然,这种新的信息可以怀孕内部和跨物种表型变异和物种形成是表观遗传现象,不需要寻找突变变化的主要来源和自然选择,地理和性隔离和基因流动不连续导致物种形成的力量(也看到1])。变化绝不是由自然选择。自然选择的行为只有在每个物种的表型曲目展现一代又一代。表观遗传背景,表型变异是个人和来自的固有属性决定了发展生物处理后从环境中提取和整合信息,基因组和代谢状态。细胞在哪里以及如何决定是未知的,但一旦他们可能会偏离个体发育的轨迹足以促进新表型性状的出现或甚至新物种。因此,解开基因表达的表观遗传调制机制成为中央为了理解内表型变异和物种间,以及生命的进化过程。
简要地提到过,个体表型变异通常是“构造”在胚胎和胎儿的生命。它是在个体发育的早期阶段,当体细胞可能改变他们的个体发育的轨迹,以应对表观遗传信息。一般,这种情况下产生了独特的变量个体保留与否,在不同的度,特定于该物种表型特征。因此,导致或有表型变异的机制之一,是个体发育的表型可塑性的体细胞(也称为发育表型可塑性)(2]。
其他重要过程,导致个体发育的表型变化涉及前体的基因组的表观遗传重编程细胞产生卵母细胞和精子。众所周知,第一重编程事件发生在生殖母细胞的基因组(即。配子原始前体),而殖民胚胎的泌尿生殖嵴3- - - - - -5]。我们认为这个事件痕迹性原细胞的基因组的表观遗传记忆,“描绘”的环境下,这些细胞被致力于配子血统。当然这些早期后生记忆不仅影响未来配子分化,但整个有机体的发展和成熟后受精。第二集配子表观遗传重编程过程中发生分化,产生精子在男性性发育成熟。我们认为通过不断修订表观遗传记忆在精原种群,这个过程允许精子继承一个更新的表观基因组适合当前环境。这将允许不同代的精子提供新鲜的信息环境在连续集的受精和后代继承这些信息。最后一个表观遗传重编程事件发生后不久受精。从我们的角度来看,通过混合产前(主要是由卵母细胞)和产后(主要是提供的精子)记忆和重新修订,根据实际环境条件,受精卵有机会创建一个更新的表观遗传/遗传框架基于体细胞将决定调整个体发育的轨迹在产前及产后的生活。因此,研究在不同年龄阶段的细胞和分子基础的细节潜在的表观遗传表型可塑性,体细胞或配子,是否强制完全理解个性化和物种形成。在这一过程中,建立实验模型,通过它这样的细节可能是合理的探索成为该领域的关键。 Here is where endocrine disruptors (EDs) enter into the scene.
EDs是一个广泛的一类化学物质,经过修改早期或晚期的发展和成熟,促进替代表型的表达在暴露的生物或他们的后代。在某些情况下,这种表型与生活是不相容的。然而,许多其他EDs-exposed生物显示选择成人表型变量生殖健康和疾病易感性(6- - - - - -8]。即使EDs可能诱发突变(9,10),大量对表型的影响结果的干扰内分泌的沟通的能力和/或通过直接诱导表观遗传变化9- - - - - -13]。因此,设计实验涉及产前及产后暴露在EDs可能帮助我们理解人与人之间的表型多样性和可塑性的表观遗传基础,跨物种,在进化。
在这个文本中,我们修改当前知识背后的表观遗传机制EDs表型多样性和可塑性的影响。因为先前的评论已经深入讨论EDs的表观遗传和继代影响人类生物学和疾病,我们打算压力使用信息的价值来源于实验与EDs揭开背后的机制通过表观遗传表型可塑性表型变化和物种形成。
2。内分泌干扰物:它们的化学性质
EDs构成的异质群体自然和模仿的人工合成化学物质,块,或扰乱的合成、运输、或消除自然化学信使等经典激素、细胞因子、神经递质(14- - - - - -17]。当他们活跃的形式被释放到环境中,它们被生物体吸收通过上皮衬里。根据他们的生理行为,EDs可能列为antiandrogenic,雄性,雌激素,arylhydrocarbon受体受体激动剂,抑制剂的类固醇激素合成、抗甲状腺药物,维生素a酸受体激动剂(9]。化学、农药(滴滴涕,demeton-S-methyl、乐果、氯菊酯、二嗪农和毒虫畏),杀真菌剂(vinclozolin、代森锰和metam钠)、除草剂(莠去津、西玛津、利谷隆、敌草隆和2,4 - d),工业产品(五氯苯酚、多氯联苯、邻苯二甲酸酯增塑剂,烷基乙氧基化物、和双酚A)、医药(己烯雌酚),nutriceuticals,和合成激素用于阐述避孕药片或设计激素替代治疗方案是最重要的EDs迄今为止。同时,植物和动物自然激素如植物雌激素,17岁β雌二醇和睾酮可能破坏生物体的内分泌环境暴露在自然界中。除了天然和合成化合物前面所提到的,它已经表明,慢性缺氧相关的有机污染和富营养化也施加干扰对内分泌系统的影响18,19]。
3所示。内分泌干扰物和表型可塑性
许多研究在野外和实验室设置已经令人信服地表明,产前接触EDs诱发早期和晚期发病表型可塑性。例如,产前接触合成雌激素己烯雌酚增加短期获得男性的睾丸异常的风险(20.)和长期的风险在成年女性宫颈和阴道癌,鲁宾,看过的(21]。表型可塑性与EDs暴露是不受限制,尽管如此,产前发育阶段。事实上,成年女性暴露于bis4-chlorophenyl-1 1 1-trichloroethane或bis4-chlorophenyl-1 1-dichloroethene减少或增加他们的生育能力和发展比正常怀孕长还是短,分别为(22]。同样,无数例不孕症已报告在成年男性暴露于1,2-dibromo-3-cloropropane农药工厂工作时。Azoos——和精子减少以及促卵泡和黄体化激素水平上升是普遍发现这些人(23]。此外,脊椎动物不同于人类也受到EDs暴露的影响。确实,怀孕的大鼠暴露于vinclozolin(一种antiandrogenic化合物)或甲氧滴滴涕(一种雌激素的化合物)在胚胎发育的最后阶段产生的后代与降低精子发生的能力(细胞数量和生存能力)和男性不育症的发生率增加24]。非洲爪蟾蜍光滑的幼虫接触莠去津,常用的除草剂,显示雌雄同体性,在成人年龄男性征丧失,原生质的睾丸激素水平降低(25,26]。最后,鱼暴露于氧化应激显示受损的原始生殖细胞的迁移18]。即使重要的解剖和功能差异是EDs-exposed生物的生殖系统中观察到nonexposed相比,替代表型的出现并不局限于生殖领域。EDs暴露重定向的轨迹胚胎形态发生和修改也甲状腺,免疫,神经功能在产后的生活(14,25- - - - - -29日]。
在这一点上,考虑生物意义的EDs-induced替代表型是值得做的。虽然这些表型可能被视为“异常”,从生态和进化的角度来看,降低生育率,衰弱的免疫反应,增加疾病的易感性,或修改有机体的行为,然而,有利于物种通过减少个人健身EDs在任何年龄。它不会有意义,例如,允许暴露生物的繁殖,给予他们更多的可能性陛下的后代,而显示不适应的表型。下这是特别重要的证据表明,生殖细胞的基因表达可能会永久和世代通过表观遗传信息期间,这些细胞进行表观遗传编程(9,24,30.- - - - - -32]。此外,最近的发现表明,成年人在出生前暴露于EDs nonexposed伴侣的吸引力也会下降(33]。因此,在最坏的情况下,这些修改必须考虑表型而不适应但没有异常。EDs-exposed生物可能会选择从他们的个体发生的选择更好地应付EDs暴露的特征。因此,epigenetically生成的出现似乎不适应的,替代表型可能是一个基本的过程,让自然选择“挑选适者生物”在特定情况下在人口水平。
4所示。通过后成EDs引起表型变化
如前所述,EDs可能充当激素受体激动剂或拮抗剂或修改合成、运输、或消除荷尔蒙。因此,通过改变激素功能可用性、EDs促进替代表型的表达在发展和成人的生物。由于很多人不诱发突变,他们的行为可能会翻译通过表观遗传机制。但后成是什么意思?后成可以被设想为一系列的细胞和分子过程,“打印”(或编码)的遗传库从环境中提取的信息。这环境驱动代码限制或促进细胞的遗传库访问不同的货架上,从而指导细胞遗传信息的搜索。曾经最好的基因从可用的曲目选择文件,细胞使决策个体发育的轨迹是什么有必要构建提供一个适当的表型反应。这些过程不涉及突变的DNA。表观遗传信息编码发生在基因组不同标记或不标记组蛋白乙酰基、甲基,磷酰基,泛素,相扑和ADP-rybosil团体在特定的氨基酸残基或DNA甲基在特定的胞嘧啶,鸟嘌呤,二核苷酸位置。表观遗传标记或不标记的过程是由酶催化(表1)的活动可能会被不同的调制信号级联受体激活后由其特定的配体(审核Arzate-Mejia et al ., (34])。为“染色质重塑“编码基因的转录酶可能也受环境因素(35,36]。
染色质的表观遗传标记是瞬态/可移动或永久/可能遗传。通常,瞬态/可移动的表观遗传标记允许有机体的细胞进行即时调整他们的基因表达状态,它们的代谢状态,因此他们的表型。永久的表观遗传标记,相比之下,产生一个表观遗传记忆,一旦发布,质数和渠道每个细胞的调节基因和代谢反应的生物的生活。有趣的是,当永久染色质的表观遗传标记出现在配子,干细胞和/或放大前体细胞,它们都继承了他们的后代在细胞和有机体的水平。因此永久的表观遗传标记(37,38),因此过去和相对现在的环境条件,是世代遗传。因此,表型表达的一个给定的动物生活在一个特定的时间点和寿命这样的表型可塑性可能显示的,但是改变,环境条件是通过一个高度动态的表观遗传标记引导过程的表观遗传的记忆。
但是表观遗传标记的变化如何'和通道基因表达和新陈代谢常数和永久的方式吗?诀窍在于部分染色质的立体化学,其三维结构修改添加和/或删除功能化学集团组蛋白和/或DNA。染色质放松或压实,微分的形成分别transcriptomically活跃沿着染色体或基因表达活性域。同时,染色质标记/不标记(即。,remodeling) adjust chromosomes’ nuclear topology, a circumstance that modifies gene expression by changing chromosome-chromosome spatial interactions and the spatial relationship of genes with the transcriptional factories in the cell nucleus.
其他修改基因转录和翻译模式通过表观遗传过程最近发现。事实上,组蛋白变体的插入,耦合ATP-dependent重塑复合物和/或非编码rna (39- - - - - -41还会导致染色质重塑。核转录和蛋白质合成也可以修改转移核和胞质小的可用性,非编码rna。最后,基因转位因子(例如,转座子或反转位子活动)目前已知通过表观遗传调控机制,包括DNA甲基化、干扰rna,因此染色质凝结(42]。
基于注释的信息,我们相信EDs可能会使用一些,如果不是全部,描述的表观遗传机制引起表型可塑性。这是支持的数据显示,己烯雌酚减少protooncogenes和乳铁蛋白在小鼠生殖组织的甲基化DNA甲基transferase-1通过减少活动,是一种减少CpG甲基化(43- - - - - -45]。同时,老鼠接受双酚A pre -或新生地显示更大的体重,修改后的生殖功能,增加了患癌症的风险,减少了DNA甲基化(38,46- - - - - -48]。都经历了类似的观察小鼠暴露于高金雀花碱(一种类似雌激素的多酚)48- - - - - -50),vinclozolin(杀菌剂)(51),或甲氧滴滴涕(农药)24]。事实上,在过去的情况下,选择个人表达的表型可能属于后代(24]。在老鼠、发展接触外源性雌二醇和双酚A也会产生永久的改变在DNA甲基化水平的多个细胞信号传导基因重要的适当的前列腺发育和功能(47]。另一个内分泌干扰化合物,甲氧滴滴涕杀虫剂,发现修改鼠生殖细胞系的DNA甲基化模式在开发过程中当管理。它还减少精子数量和活力和跨代会导致不孕24]。在雄性老鼠,vinclozoline通过修改修改世代睾丸转录组和表观基因组DNA甲基化在开发过程中(7,30.,51]。Vinclozoline也转移精子至少6个已知的印迹基因的甲基化水平三代(52]。使用一个记者段H19基因,最近发现农药毒死蜱影响DNA甲基化模式在雄性老鼠原始性和肝细胞53]。最近的一项研究显示,妊娠期小鼠暴露与二恶英2,3,7日8-Tetrachlorodibenzo -p二恶英变化干扰RNA可用性和DNA甲基化模式在暴露女性的后代54]。最近的研究表明,暴露steroidogenic组织在雄性和雌性小鼠促性腺激素诱导的表达VL30反转位子活动(55]。同时,苯并(a)芘暴露诱发的trimethylation赖氨酸残4残渣和赖氨酸乙酰化作用的9组蛋白3的差别导致了对这些DNA甲基转移酶的表达1轨迹和1号线的upregulation逆转录转座子网站(56]。最后,怀孕的老鼠暴露在双酚A的显示hypomethylation脑池内的粒子逆转录转座子位于上游的刺鼠基因。这种效应抵消了补充母体饮食与甲基捐助者(38]。这些最后的结果支持,EDs也可以发挥他们的行动表型可塑性通过促进管理者的这些元素。转座子和反转位子活动是复制的DNA序列,可以跨越染色体(57,58]。条染色体中这些元素的转换实现裂解后,转录,或retrotranscribed。转录、retrotranscription乳沟,换位都由不同的家庭的干扰rna酶和主机工作精心策划的方式(58,59]。
5。EDs作为工具去探索生命的进化
基于我们写了到目前为止,我们希望读者同意的内表型的变化和跨物种通过表观遗传表型可塑性可能是表型变化的驱动力和物种形成的可能。虽然很多人反对用EDs接触理解物种形成的价值因为他们促进的出现似乎不适应的表型与减少健身,我们必须记住,物种形成的事件(例如,适应辐射)可能发生大规模物种灭绝后引起的气候灾难(60]。这种情况下肯定幸存的生物体暴露在极端的环境条件,可能迫使他们发展极端表型可塑性茁壮成长。EDs暴露生物可能显示表型类似于生物体暴露在极端的气候挑战所示(61年]。众所周知,高度紧张的环境有所损害生殖健康和可能导致表型”异常。“不过,这些“异常”的原始基质可能是极端表型可塑性可能导致新物种的特征。在这个场景中,EDs的可以帮助我们理解表观基因组配置在这种极端情况下,以及他们如何影响决策通过开发生物选择他们的个体发育的轨迹。在这个过程中,移动和转位因子的过度引起的EDs暴露可能是特别重要的,因为他们可以修改发展过程和身体一样重要模式(62年],参见[63年]。因为这样的行为结果从外遗传性的解释代码的体细胞和生殖细胞发展系统,这种变化可能是世代遗传。这些变化可能会持续多久尚不清楚,但鉴于表观基因组的动态特性,他们可能会延续或者重新编辑基于不断演化的环境条件。因此,EDs的表观基因组可以通过重新配置生成一个表型变异可能会导致不同的表型基于基因表达模式的改变。此外,EDs还可以增强表型可塑性通过促进小说DNA重组事件后通过表观遗传调制转位因子的增加流动性。我们相信,这两个过程可能导致从长远来看表观遗传物种辐射没有点突变(图1)。我们的观点完全和谐的哲学框架构成的新兴领域环境表观遗传学1]。
(一)
(b)
作者的贡献
玛尔塔Lopez-Santibanez格瓦拉和Lluvia i Marcos-Camacho同样目前的工作。
确认
作者感谢两种莫拉,耶稣拉米雷斯桑托斯Raymundo雷耶斯和Edel皮洛佩兹技术和行政援助。这项工作部分是由CONACyT资助(批准号82879号94312到GGO GGO和180762有效市场假说),CIC-UMSNH(批准号8.37),PAPIIT-UNAM(批准号IN203912)。