蔣 原

提起“遺傳”相信大家都不陌生，我們一般意義上所理解的遺傳是指父母性狀通過繁殖傳遞給后代，從而使后代獲得其父母遺傳信息的現(xiàn)象。而傳遞的介質(zhì)是什么呢？毫無疑問那就是基因。由于后代的基因就是父母雙方基因的復(fù)制，而且這種復(fù)制相對(duì)來說是穩(wěn)定且可靠的，所以地球上的各個(gè)物種才呈現(xiàn)出了具有延續(xù)性的樣貌和行為，甚至有時(shí)候我們通過父母的外貌可以順利地找到人群中他們的孩子究竟是誰。

咱們中國(guó)自古就有的說法“龍生龍鳳生鳳，老鼠的孩子會(huì)打洞”就是這樣一個(gè)道理。其實(shí)仔細(xì)分析起來，這句古話還包含著兩個(gè)方面，暨遺傳的直接結(jié)果是外形特征的相似以及行為模式的相似，不得不說咱們的先民在這些方面樸素的認(rèn)知是全面而且客觀的。

什么是表觀遺傳

但是我們也常常聽說“龍生九子，各不相同”那這又是怎么回事呢？其實(shí)自然界還真有這樣神奇的現(xiàn)象，這一類現(xiàn)象就是我們今天討論的主題：表觀遺傳。不知道大家有沒有注意到這樣一個(gè)事實(shí)，雙胞胎在小時(shí)候總是非常像，有時(shí)候就連他們的父母或者老師都會(huì)認(rèn)錯(cuò)，但是隨著時(shí)間的推移，雙胞胎中有一定的比例，他們會(huì)開始越來越不像，有的高矮胖瘦出現(xiàn)差異，有些則是健康狀況各不相同，更有一些脾氣秉性都會(huì)大相徑庭。比如美國(guó)的一對(duì)同卵雙胞胎Sierra和她的姐妹Sienna，身為同卵雙胞胎的她們，擁有著完全一樣的基因，那按理說她倆就應(yīng)該生長(zhǎng)得完全一樣或者非常相似才對(duì)，但是她們中的Sienna卻因?yàn)轭净嫉さ?沃爾克綜合癥（Dandy-Walker syndrome）導(dǎo)致腦室出口部閉塞從而引發(fā)了發(fā)育遲緩，讓二十歲時(shí)候的她們從長(zhǎng)相上已經(jīng)完全看不出是同卵雙胞胎的影子。要知道丹迪-沃爾克綜合癥是一種由于基因缺陷而出現(xiàn)的疾病，那為什么具有完全相同基因的姐妹倆卻會(huì)只有一位不幸罹患此病而另一位卻完全健康呢？

要知道這一切究竟是怎么回事，我們還得簡(jiǎn)單回顧一下基因是如何發(fā)揮作用的。每一個(gè)生物細(xì)胞中的DNA（脫氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸），它們就像是儲(chǔ)存在每一個(gè)生命體內(nèi)的“菜譜”，按照菜譜來作出不同佳肴的過程就是生物體根據(jù)基因產(chǎn)生各類不同細(xì)胞、不同性狀的過程，這就是基因的表達(dá)。但是就像每位廚師都會(huì)做出不盡相同的菜肴一樣，基因的表達(dá)還會(huì)受到其他一些條件的影響，例如“甲基化”，我們可以粗略的將基因的甲基化比喻為這本“基因菜譜”的一些文字被遮蓋住了，另一些卻被劃上了重點(diǎn)線，這就導(dǎo)致了負(fù)責(zé)將基因信息表達(dá)為具體性狀的“廚師們”讀取到了不盡相同的信息，而正是由于不同的基因修飾，擁有完全相同基因的Sienna與Sierra姐妹倆體內(nèi)的小小“廚師”做出的“菜肴”就出現(xiàn)了不同，從而造成了最終在姐妹倆身體上的巨大差異。

表觀遺傳學(xué)機(jī)理（引自互聯(lián)網(wǎng)）

不同的基因修飾導(dǎo)致了讀取基因信息的不同，然而更為驚人的還在后邊，這種甲基化修飾居然可以通過某種方式遺傳給下一代。這種在基因的DNA序列沒有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導(dǎo)致了表型的變化就是我們今天的主題：表觀遺傳，而研究這一神奇現(xiàn)象的學(xué)科現(xiàn)在叫做“表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）”

表觀遺傳與獲得性遺傳

自從1859年查爾斯·達(dá)爾文提出了著名的進(jìn)化論之后，各路科學(xué)家以及非科學(xué)人士都開始了對(duì)于生命進(jìn)化和發(fā)展本質(zhì)的研究與探討。1866年孟德爾的豌豆實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)遺傳的規(guī)律性秘密，1910年摩爾根終于歷經(jīng)萬難獲得了第一只實(shí)驗(yàn)室條件下的突變果蠅，從而通過研究創(chuàng)立了基于染色體與突變的現(xiàn)代基因理論，1953年沃森和克里克首次發(fā)現(xiàn)了代表著生物遺傳學(xué)密碼的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一切都走在了基于基因研究的康莊大道之上，然而高歌猛進(jìn)的同時(shí)一個(gè)又一個(gè)尚未能得到解釋的現(xiàn)象卻也讓科學(xué)家們頭疼不已。

例如：人體的每一個(gè)細(xì)胞按理說都擁有完全一樣的DNA序列，那為什么有一些從干細(xì)胞發(fā)育成了肌肉細(xì)胞，而另一些卻“自覺地”發(fā)育成了腦細(xì)胞，還有一些發(fā)育成了表皮細(xì)胞等等？再例如世界上第一只克隆羊多利，它的基因與其“基因母親”完全一樣，但是為何它卻體型肥胖而且在6歲半時(shí)“壯年早逝”？

不勝枚舉的非常規(guī)現(xiàn)象讓科學(xué)家開始試著從不同角度看待遺傳與進(jìn)化這一極度復(fù)雜的問題。

對(duì)長(zhǎng)頸鹿（右）長(zhǎng)脖子之源的兩種解釋：A.拉馬克“用進(jìn)廢退”理論模型；B.達(dá)爾文“自然選擇”理論模型（引自互聯(lián)網(wǎng)）

其實(shí)早在1809年，法國(guó)博物學(xué)家拉馬克就曾經(jīng)提出過后天的性狀改變可以遺傳給下一代的早期進(jìn)化理論——獲得性遺傳理論，在這里我們把這一點(diǎn)概要地理解為“用進(jìn)廢退”，該理論的提出在當(dāng)時(shí)也引起了不小的轟動(dòng)，擁有著不少支持者，這樣的理論聲稱，長(zhǎng)頸鹿這樣的動(dòng)物，就是在不斷向上夠取樹葉的過程中逐漸拉長(zhǎng)了自己的脖子，而長(zhǎng)脖子在一代又一代的努力中被不斷地拉長(zhǎng)，最終成為了長(zhǎng)頸鹿這一獨(dú)特的物種。這種說法雖然盛極一時(shí)，但是當(dāng)隨后更加完備的達(dá)爾文理論提出后，拉馬克理論卻逐漸成為了一些人的抨擊目標(biāo)，反對(duì)拉馬克主義的人，他們的論據(jù)似乎也是無懈可擊：難道后天鍛煉出強(qiáng)壯肌肉的爸爸就能直接生出個(gè)肌肉發(fā)達(dá)的孩子嗎？學(xué)識(shí)淵博的父母必然會(huì)擁有同樣聰明靈利的后代嗎？顯然，通過種種身邊的事實(shí)我們就可以判斷，這都是不可能的。

更有甚者，在19世紀(jì)末，德國(guó)著名動(dòng)物學(xué)家魏斯曼做了一個(gè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他把兩只老鼠的尾巴剪掉，然后在它們生出小老鼠后再把小老鼠的尾巴也剪掉，目的就是看一看“沒有尾巴”這個(gè)后天才獲得的特征是否會(huì)遺傳給下一代，在重復(fù)了22代之后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)老鼠依舊會(huì)產(chǎn)下尾巴完全健康的后代，這無疑是對(duì)拉馬克理論的一次重?fù)簟?/p>

然而，拉馬克主義這種看似太過理想化的理論體系卻在20世紀(jì)表觀遺傳學(xué)萌芽之后似乎重獲一線生機(jī)。20世紀(jì)80年代英國(guó)分子生物學(xué)家霍利戴根據(jù)DNA甲基化可改變基因活性這個(gè)共識(shí)，于1987年在一篇學(xué)術(shù)論文中提出“表觀遺傳”并引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，自此之后對(duì)于該學(xué)科的研究才開始嶄露頭角。

在2013 年12月1日的《自然神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）發(fā)表了一篇“神奇”的有關(guān)表觀遺傳學(xué)的論文（Dias B G, Ressler K J.Parental olfactoryexperience influences behavior and neural structure in subsequentgenerations[J]. Nature Neuroscience, 2013, 17(1): 89-96.），論文基于一項(xiàng)非常有趣的實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)者埃默里大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家和精神病學(xué)家Kerry Ressler將老鼠放在一個(gè)具備電擊環(huán)境的黑暗箱子里，實(shí)驗(yàn)還使用了一種具有特殊氣味的無害氣體“苯乙酮”（類似水果味），當(dāng)釋放苯乙酮?dú)怏w時(shí)，位于小老鼠腳下的電擊開始，小鼠受到電擊當(dāng)然表現(xiàn)得極為不安和恐懼，經(jīng)過反復(fù)多次的苯乙酮+電擊刺激，小老鼠都對(duì)苯乙酮的氣味產(chǎn)生出條件反射式的恐懼，當(dāng)再放入苯乙酮?dú)怏w，即便沒有電擊，小老鼠也會(huì)顯得特別緊張焦躁。別急，這只是第一步，有趣的現(xiàn)象發(fā)生在這些小老鼠的后代身上，當(dāng)小老鼠產(chǎn)下后代之后，讓新生的小老鼠立即與它們的親生父母隔離，隔絕了知識(shí)性傳遞的可能性，但是這些新生的小老鼠雖然從未經(jīng)歷過電擊，卻也神奇地對(duì)苯乙酮?dú)馕懂a(chǎn)生了恐懼感！反觀從未經(jīng)歷過電擊的對(duì)照組小老鼠，它們卻對(duì)這種氣味完全沒有任何反應(yīng)。換句話說，父母一輩的“經(jīng)驗(yàn)型”性狀真的通過非基因的方式傳遞給了新出生的一輩。而這種對(duì)于苯乙酮的恐懼，甚至在數(shù)代之后還能明顯地觀察到。

魏斯曼的老鼠剪尾實(shí)驗(yàn)（引自互聯(lián)網(wǎng)）

在小鼠的鼻子內(nèi)，G蛋白偶聯(lián)受體Olfr151負(fù)責(zé)感知苯乙酮，研究者對(duì)這些恐懼苯乙酮?dú)馕兜摹半姄粜±鲜蟆斌w內(nèi)的精子的Olfr151基因啟動(dòng)子位置的甲基化水平進(jìn)行了測(cè)序，發(fā)現(xiàn)與未經(jīng)過訓(xùn)練的對(duì)照組普通小鼠相比，該區(qū)域的甲基化水平明顯降低，導(dǎo)致這些受過電擊的小老鼠的下一代，其嗅覺系統(tǒng)里，該基因較高表達(dá)，從而對(duì)該種氣體形成高敏感性與恐懼的條件反射。

Kerry Ressler的老鼠苯乙酮實(shí)驗(yàn)（引自互聯(lián)網(wǎng)）

這不得不說是一個(gè)神奇的現(xiàn)象，不知道讀者們?cè)谶@里有沒有意識(shí)到，我們所介紹的第一個(gè)魏斯曼小老鼠的實(shí)驗(yàn)，雖然切掉尾巴的小老鼠還會(huì)生育出完整尾巴的后代這一事實(shí)無法反駁，但是如果我們仔細(xì)審視魏斯曼設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，切掉尾巴這個(gè)動(dòng)作是完全由外界發(fā)出，并且不會(huì)對(duì)小老鼠的生存有任何幫助，換句話說那就是這并不是小老鼠所需要獲得的性狀。而Ressler的小老鼠電擊實(shí)驗(yàn)，卻是以外部環(huán)境促成老鼠自身的特定應(yīng)激反應(yīng)為前提，最終“奇跡般”地促成了老鼠通過父輩精細(xì)胞甲基化修飾變化的表觀遺傳方式，讓其后代擁有了更有利于在電擊設(shè)定條件下獲得更好生存優(yōu)勢(shì)的特有嗅覺優(yōu)勢(shì)和氣味應(yīng)激反應(yīng)。

表觀遺傳的一點(diǎn)啟示

以上的種種事實(shí)表明，在達(dá)爾文物競(jìng)天擇的大剪刀咔嚓一聲篩除掉不適合新環(huán)境的基因之前，似乎生命還存在自我積極改變的一點(diǎn)點(diǎn)機(jī)會(huì)，如果生物注定不能自我改變基因序列，或許還可以通過對(duì)基因的后天修飾，讓子一輩至少在表觀遺傳學(xué)的層面上獲得一點(diǎn)點(diǎn)適應(yīng)新環(huán)境的優(yōu)勢(shì)與改變。如今通過更多的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們?cè)诒碛^遺傳這一新領(lǐng)域的斬獲可謂頗豐，例如：有研究表明，如果對(duì)父代喂養(yǎng)高脂肪的食物，那么他生下的孩子，即使只喂正常的食物，也會(huì)出現(xiàn)胰島β細(xì)胞的功能失調(diào)從而高概率罹患糖尿病、如果父代對(duì)可卡因成癮，那么子代會(huì)一定程度上對(duì)可卡因形成耐受。

這一樁樁看似違背我們傳統(tǒng)認(rèn)知的實(shí)驗(yàn)都或許代表著一個(gè)可能的事實(shí)：遺傳以及進(jìn)化并不是由單一原因決定的，促成如今大千世界萬事萬物的規(guī)律可能遠(yuǎn)比我們想象的要復(fù)雜得多。我們當(dāng)然崇敬達(dá)爾文的偉大，孟德爾的堅(jiān)持，摩爾根的執(zhí)著，沃森和克里克的鋒芒。但是我們似乎也不該忘記拉馬克的貢獻(xiàn)，以及在這條道路上執(zhí)著探索的每一個(gè)有名或無名的人士。畢竟一條完備的理論不僅需要眾多科學(xué)奇才的共同努力，也更需要不同的聲音來驗(yàn)證它的真?zhèn)?，磨礪它的鋒芒。

這些對(duì)于進(jìn)化之路的種種科學(xué)猜想與驗(yàn)證，也許是一扇又一扇窗，透過窗簾，我們可以模糊地從每一扇窗中遙望到那共同的真理終點(diǎn)，然而這通往真理的道路或許還需要未來更多的智慧與靈感來鋪就。