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遗传学最前沿之表观遗传

花匠小妙招
2024-12-03 20:33

“表观遗传学”这个术语，它最初是由英国科学家康拉德·沃丁顿于1942年首先提出的。大多数早期的表观遗传学家都没有得到足够的重视，有些甚至被蔑称为“巫师生物学家”。他们所宣扬的观念与核心遗传学差异极大，以至于只要他们的实验局限在以细菌作为实验对象，其实验结果和理论就被认为只是巧合。

但后来，实验对象扩展到了西红柿，科学家们在研究中观察并量化了西红柿的代际变化——当西红柿被暴露于干旱、严寒或者酷热的环境中时，产生的遗传变化会传递给下一代和再下一代的西红柿。这类发现仍在不断涌现。2013年，康奈尔大学的一组研究团队在试图弄清什么东西决定了西红柿何时、为什么成熟时，发现关键因素不是遗传密码，而是表观遗传。研究者在蠕虫、果蝇和啮齿类动物身上也发现了类似的表观遗传效应。

在一项很有创造性但稍有些恶意的实验中，实验人员令老鼠先闻甜杏仁的味道，然后电击它们的爪子，老鼠很快就会对杏仁味道产生恐惧。当这些老鼠生育后，虽然幼鼠从来没被电击过，但仍旧害怕相同的味道，幼鼠长大后再生的孙辈鼠也这样。三代鼠的大脑中都有着被修改后的“M71小球”——一种对甜杏仁味道特别敏感的特殊神经元。我们还不清楚表观遗传标签会持续影响多少代，但对于大鼠来说，这个效应至少会持续4代。在蠕虫身上，干扰后的表观遗传控制机制能够持续影响70代蠕虫。

其原因似乎是核心或线性DNA密码（这个密码反映在生物体的基因组序列中）要花很长时间才会发生变化，但有各种其他机制可以改变、编辑、加速、延缓核心基因密码的表现。

表观遗传学之所以有趣，是因为它认为外部的应激源和去应激物不仅可以改变个体，甚至可以改变几代生物体的遗传密码。换句话说，表观遗传学家假定，即使遗传密码完全相同（比如同卵双胞胎），它也可以被很小的化学标签逆向修改，这个标签就是一个高效的“开／关”机制，它可以激活或者关闭特定的基因。

这意味着环境刺激，例如饥荒、压力、毒素、爱，都可以通过神经系统、内分泌系统或免疫系统传递到每个细胞的DNA内，继而开启或关闭遗传密码的表达，令其在特定情形下处于被激活状态或静息状态。遭到入侵物的持续侵袭？按下几个开关来防御。摄入营养太多了？按下几个开关储存脂肪、促进生育、加速新陈代谢。所在社区有瘟疫？按下几个开关提高抵抗力。你的DNA基因组中有着“开启／关闭”的化学机制，这些开关统称为你的表观基因组。你的表观基因组是独特的，每按下一个开关它都会发生相应的变化。

因为表观基因组的开关被认为是可逆的，所以当它们由父母遗传给子女时，许多科学家认为这是一种“软进化”，也就是说这种进化不一定像核心DNA基因组发生的突变那样持久不可变。表观基因组可以被遗传，可以被逆转，可以被强化。

DNA基因组中有着“开启／关闭”的化学机制，这些开关统称为你的表观基因组。科学研究显示:我们的大脑、腺体和免疫细胞会感知外部世界，然后分泌激素、生长素、神经递质和其他信号分子，告知身体的每个器官：“需要适应环境变化啦！”当我们体验到压力、爱、衰老、恐惧、愉悦、感染、疼痛或者饥饿时，各种激素就会调节身体的各种生理反应。激素在我们血液中奔涌，可以让我们以不同的方式生长发育、采取行动。它们会对我们的表观基因组发出信号：“是时候按下开关了！”随着周遭世界的变化，基因会被关闭或者开启。

在快速、可继承的表观遗传适应当中，有多种方式可以增加修饰而不改变核心DNA密码。一种基本且常见的机制是DNA甲基化修饰。细胞中的酶将一个甲基icon基团（CH3）附着在DNA中鸟嘌呤（G）旁边的一个胞嘧啶icon（C）上，形成了一个甲基化孤岛。这就是在告诉接下来的基因，“嘘……不要表达自己”。人类物种多样化的一个关键原因就是我们70%的（大约14000个）基因中都具有这些开关，再加上开关之间的随机突变，最后的结果是，整个人类种群中有无数种按下开关的组合方式。

在表观遗传标签和遗传性上，精子和卵子几乎意味着一个全新的开始。在受精发生之前，估计有90%的开关都会被抹去，这意味着绝大多数表观遗传记忆都会消失。但事实上仍有很多新近的信息从上一代传递到了下一代。而大多数科学家既不怀疑也不相信一个未出生的孩子能“听到这么多激素谣言”，甚至是在受孕前就“听到”。
有些科学家把精子描述为长了尾巴的DNA简易收纳袋，但这些科学家一定解释不了为什么精子有那么多感受器来感受那么多激素，而这些激素又与生殖不直接相关，包括瘦蛋白，还有19种生长素、细胞因子和神经递质。精子、卵子或胚胎中的表观遗传开关都可以启动或关闭，这样你的孩子和孙辈就可以分享你的环境经验和知识，从而为他们即将进入的环境做好准备。
如果你是个男性吸烟者，而你的兄弟不吸烟，那么你精子中的28个表观遗传信号就和他的不一样。因此，我们可以认为，精子在“倾听”。它们有时会幸存下来讲述关于一个人的遗传和年龄的故事，故事内容甚至还包括童年时期的戏剧化经历和充满躁动激素的疯狂青春期。受精卵和非受精卵也携带着感受器，不断接收来自母亲的激素信息。在受孕的一刹那，你的孙辈就像在倾听故事，有时他们还会让这故事继续流传下去。