曾潔

科學(xué)家們近年來(lái)一直在研究飲食習(xí)慣、生活方式和外界環(huán)境是怎樣對(duì)我們的基因造成影響的。這一研究也許會(huì)顛覆迄今為止我們對(duì)于進(jìn)化論的理解。

1953年，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)使弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森這兩個(gè)名字變得家喻戶(hù)曉，同時(shí)，這個(gè)發(fā)現(xiàn)還奠定了我們對(duì)生物特性是如何代代相傳的了解。但DNA或者說(shuō)是基因組，并不是故事的全部。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，“表觀基因組”這個(gè)角色得到了前所未有的關(guān)注。表觀基因組是指由環(huán)境和飲食等因素所引起的、對(duì)DNA和其周?chē)鞍踪|(zhì)所進(jìn)行的微小化學(xué)修飾。通過(guò)對(duì)這些修飾的研究，我們得到了一些非常驚人的結(jié)論：你從你母親的DNA那里繼承到的綠眼睛或者是黑皮膚，可能跟當(dāng)初你外婆撫養(yǎng)她的方式有直接的關(guān)系。

DNA 是環(huán)繞在一種名為組蛋白的蛋白質(zhì)四周的螺旋形結(jié)構(gòu)。

表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾是如何在我們的DNA結(jié)構(gòu)中起作用，并將其遺傳給我們的后代的呢？

我們細(xì)胞中的DNA并非是一個(gè)又長(zhǎng)又直的分子，相反的是，它是環(huán)繞在一種名為組蛋白的蛋白質(zhì)四周的螺旋形結(jié)構(gòu)。DNA包繞著一個(gè)由八個(gè)組蛋白組成的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，續(xù)行一段之后又包繞另一個(gè)組蛋白團(tuán)體。這樣的進(jìn)程在一個(gè)細(xì)胞中要重復(fù)數(shù)百萬(wàn)次，通過(guò)這種方式，才將我們近2米長(zhǎng)的DNA全部疊裝在直徑只有零點(diǎn)幾微米的細(xì)胞核中。

當(dāng)一個(gè)細(xì)胞接收到了來(lái)自環(huán)境的信號(hào)后，DNA和組蛋白同時(shí)也會(huì)受到微小的化學(xué)修飾，這種能夠調(diào)節(jié)DNA表達(dá)的行為就是表觀遺傳修飾。自然界中存在著種類(lèi)巨多的修飾作用，尤其是針對(duì)組蛋白的修飾。而這些修飾的作用和位置，其排列和組合往往復(fù)雜到讓人眼花繚亂，因此也造成了基因表達(dá)擁有極高的靈活性。又因?yàn)榧?xì)胞在分裂時(shí)會(huì)將這種表觀遺傳修飾傳遞給它的子細(xì)胞，所以這種對(duì)基因表達(dá)的影響也會(huì)一直延續(xù)下去。

生長(zhǎng)發(fā)育的奇妙之旅始于一個(gè)擁有無(wú)限潛能和無(wú)限結(jié)局的細(xì)胞，而對(duì)人類(lèi)而言，大量的這種細(xì)胞都將分化成某種特定的形態(tài)。幾十年前，還沒(méi)人知道細(xì)胞分化和DNA之間有什么聯(lián)系。曾經(jīng)有那么一個(gè)假說(shuō)：細(xì)胞分化時(shí)會(huì)將它們不需要的DNA給“扔掉”。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，神經(jīng)細(xì)胞會(huì)“丟掉”編碼血紅蛋白的基因，因?yàn)檠t蛋白是存在于血液中攜帶氧氣的組織;又例如肝細(xì)胞會(huì)“丟掉”編碼角蛋白的基因，因?yàn)楦渭?xì)胞并不需要角蛋白。

直到20世紀(jì)70年代，曾經(jīng)在英國(guó)牛津大學(xué)后來(lái)又到劍橋大學(xué)工作的約翰·格登教授才通過(guò)實(shí)驗(yàn)否定了這一猜想。他將蛙卵的細(xì)胞核替換為成年青蛙的細(xì)胞核，再對(duì)蛙卵進(jìn)行培養(yǎng)，結(jié)果蛙卵變成了蝌蚪，并最終變成了一只完整的青蛙。這說(shuō)明個(gè)體不同部位的細(xì)胞所含的DNA并沒(méi)有任何不同。1996年，蘇格蘭羅斯林研究所的伊恩·威爾穆特和基思·坎貝爾與他們的同事一起利用一只綿羊的乳腺細(xì)胞克隆出了綿羊多利，證明了格登教授的發(fā)現(xiàn)在哺乳動(dòng)物身上也同樣適用。

2012年，格登教授因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在他那項(xiàng)發(fā)現(xiàn)之后的幾十年間，研究者們?cè)趯?duì)表觀遺傳現(xiàn)象背后機(jī)制的研究上取得了巨大的進(jìn)步。這些機(jī)制的實(shí)現(xiàn)有賴(lài)于DNA的微小化學(xué)修飾，此外，一種特定的蛋白——組蛋白也跟我們的遺傳物質(zhì)息息相關(guān)。這些化學(xué)修飾被稱(chēng)為表觀遺傳修飾。

數(shù)百種不同的酶能增加或去除基因組在不同位置上發(fā)生的表觀遺傳修飾作用，而數(shù)百種不同的蛋白質(zhì)又能將這些修飾組合進(jìn)行綁定，并最終改變?cè)瓉?lái)的基因組。這些表觀遺傳修飾會(huì)受環(huán)境刺激影響，還可以讓我們的細(xì)胞去適應(yīng)那些基因表達(dá)所發(fā)生的改變。因此表觀遺傳為我們提供了溝通起先天（基因組）與后天（環(huán)境）之間的橋梁。

對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，一次成功的繁殖必須要有適當(dāng)?shù)膩?lái)自父母雙方的表觀遺傳修飾。

一些表觀遺傳與生物幼年時(shí)候的環(huán)境有關(guān)，例如早期妊娠期。這一具體例子發(fā)生在第二次世界大戰(zhàn)末期的荷蘭。這個(gè)國(guó)家的某些地方遭受了災(zāi)難性的食物短缺，有好幾個(gè)月的時(shí)間，人們每天的卡路里攝入量還不到正常水平的40%，這段時(shí)間后來(lái)被稱(chēng)為“饑餓嚴(yán)冬”。在這段時(shí)間內(nèi)懷孕的嬰兒出生時(shí)都表現(xiàn)得很正常，但隨著年齡逐漸增大，他們開(kāi)始呈現(xiàn)出高于常人的患成人肥胖和2型糖尿病的概率。這是由于他們的基因在懷孕早期就被表觀地修改了，這樣才能保證他們?cè)诋?dāng)時(shí)匱乏的物資水平下盡可能多地利用所有的資源活下去。如果饑荒持續(xù)下去，這樣的改變倒不失為一個(gè)好處，但在物資充沛的現(xiàn)今社會(huì)，這樣的表觀遺傳改變就成了一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。

表觀遺傳學(xué)提供了研究成人疾病在胚胎時(shí)期或幼年起源的一個(gè)新方法，例如從20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始展開(kāi)的，現(xiàn)在規(guī)模達(dá)到約1.5萬(wàn)個(gè)家庭的埃文親子縱向研究發(fā)現(xiàn)，童年時(shí)遭到虐待的孩子在長(zhǎng)大后心理健康都會(huì)受到不同程度的負(fù)面影響。

我們都知道遺傳信息通過(guò)父母?jìng)鬟f給他們的子女，但表觀遺傳信息是否也是如此傳遞的呢？20世紀(jì)80年代，劍橋大學(xué)的阿奇姆·蘇尼拉教授的研究證明了這個(gè)猜想。事實(shí)上，對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，一次成功的繁殖必須要有適當(dāng)?shù)膩?lái)自父母雙方的表觀遺傳修飾。通過(guò)對(duì)大鼠進(jìn)行的體外受精實(shí)驗(yàn)，蘇尼拉發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)一個(gè)卵細(xì)胞和一個(gè)精子的細(xì)胞核融合之后，動(dòng)物才可能被生出來(lái)。沒(méi)有動(dòng)物能在兩個(gè)卵細(xì)胞核融合或者兩個(gè)精子細(xì)胞核融合的情況下出生并存活，雖然從基因水平上來(lái)說(shuō)以上三種情況并沒(méi)有任何差別。

后代總是傾向于看起來(lái)更像它們的父母，以此來(lái)說(shuō)明它們繼承了父母的表觀遺傳信息，但現(xiàn)實(shí)并不總是恰如人意：一些幼鼠跟它們的父母長(zhǎng)得很不一樣，這說(shuō)明我們對(duì)于表觀遺傳信息傳遞方法的了解還是很模糊。后代外貌發(fā)生變化的比重跟環(huán)境刺激也有很大關(guān)系，例如給雌鼠飲酒等。

我們的遺傳信息來(lái)自父母，但外界對(duì)其影響不容忽視，包括貌、行為和疾病等。

通過(guò)對(duì)這些老鼠的研究表明，表觀遺傳信息既能通過(guò)父母遺傳給子女，又會(huì)受到環(huán)境因素的影響。這就引出了下一個(gè)問(wèn)題：受到環(huán)境因素影響而產(chǎn)生的表觀調(diào)節(jié)是否能通過(guò)父母遺傳給子女呢？

經(jīng)典的達(dá)爾文進(jìn)化論也許會(huì)說(shuō)當(dāng)然不行。事實(shí)上這個(gè)問(wèn)題更像是達(dá)爾文的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，19世紀(jì)法國(guó)博物學(xué)家讓-巴蒂斯特·拉馬克提出的“生物能把后天獲得的特征遺傳給子女”理論?？扇缃瘢瓉?lái)那套達(dá)爾文進(jìn)化論經(jīng)典的理論越來(lái)越面臨著威脅了：荷蘭饑餓嚴(yán)冬的受試者們出現(xiàn)了一系列的適應(yīng)癥，例如，經(jīng)歷了童年饑荒而產(chǎn)生的代謝缺陷問(wèn)題現(xiàn)在被發(fā)現(xiàn)也會(huì)遺傳給后代。

不幸的是，要想把遺傳、表觀遺傳和環(huán)境因素在人類(lèi)身上產(chǎn)生的影響完全區(qū)分開(kāi)來(lái)是非常困難的。為了取得更加確信的證據(jù)，研究者們又一次將目光投向了嚙齒動(dòng)物。

許多研究都表明，當(dāng)雄性嚙齒動(dòng)物出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)不良時(shí)，它們的后代也會(huì)出現(xiàn)新陳代謝障礙。但另一項(xiàng)利用恐懼適應(yīng)原理來(lái)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)更是讓研究者們大吃一驚。雄性小鼠通過(guò)一些特定的訓(xùn)練后會(huì)將特定的味道和電擊聯(lián)系到一起，當(dāng)再次把它的后代小鼠暴露在只有這種氣味的環(huán)境下，也足夠使這些小鼠“聞味喪膽”。通過(guò)對(duì)這些小鼠的后代進(jìn)行試驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)它們也跟自己的父輩一樣害怕這種味道，即使這些小鼠從未受過(guò)電擊。這些小鼠同它們倍受精神創(chuàng)傷的父輩們一樣，腦子里的某些關(guān)鍵基因也受到了同樣的表觀遺傳修飾。

這是否意味著達(dá)爾文生物進(jìn)化論模型就完全錯(cuò)誤了呢？當(dāng)然不是，即使現(xiàn)在很多表觀遺傳學(xué)家都喜歡把自己比作是新時(shí)代的拉馬克，但達(dá)爾文的進(jìn)化論模型依然是生物進(jìn)化學(xué)中不可或缺的理論。大多數(shù)情況下，精子和卵細(xì)胞都能抵御由環(huán)境影響帶來(lái)的表觀遺傳變異，但相對(duì)地一些已經(jīng)建立起來(lái)的修飾作用也很有可能會(huì)傳遞給下一代。即使是這樣，這些修飾和它們所產(chǎn)生的影響也基本上會(huì)在幾代之后消失掉。這就是我們所推測(cè)的，表觀遺傳性改變從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是非常不穩(wěn)定的。

這種表觀遺傳信息的逐代傳遞可能會(huì)給生物帶來(lái)一些短期的適應(yīng)性效益：既能讓它們以此來(lái)抵御暫時(shí)的環(huán)境變化，又不會(huì)改變它們傳承了數(shù)千年的潛在基因序列。這種后天獲得性遺傳在某些情況下的確會(huì)發(fā)生，但卻不太可能在長(zhǎng)期的自然選擇中占主要的作用。

盡管如此，仍存在著越來(lái)越多的順理成章的趨勢(shì)來(lái)“責(zé)怪”表觀遺傳，因?yàn)樗鶐?lái)的一些現(xiàn)存問(wèn)題，尤其是對(duì)它所帶來(lái)的人類(lèi)肥胖癥的流行。盡管這個(gè)研究結(jié)果聽(tīng)起來(lái)那么娓娓動(dòng)聽(tīng)，但它卻決不是我們逃避問(wèn)題的借口。對(duì)你的身體健康來(lái)說(shuō)最重要的因素還是此時(shí)此刻你的生活習(xí)慣：不會(huì)有人在2016年的今天長(zhǎng)胖而只是因?yàn)樗臓敔斣?960年喜歡吃糖！