不靠基因也能遺傳?

致遠(yuǎn)

幾乎所有人都知道，遺傳得考基因，這是唯一的途徑。

但是，最近科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，有一種生長于泥土中的線蟲，當(dāng)其發(fā)生突變而成為長壽線蟲后，即使其后代沒能從基因水平上繼承這一長壽突變，也會將這一長壽特質(zhì)遺傳給下一代。也就是說，在基因沒有發(fā)生改變的前提下，只需改變外部的環(huán)境因素，長壽依然可以“遺傳”?？茖W(xué)家們的這一相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表于近期《自然》（Nature）雜志網(wǎng)絡(luò)版上。

神奇的發(fā)現(xiàn)

美國斯坦福大學(xué)和哈佛大學(xué)的科研人員以線蟲為對象研究長壽的相關(guān)基因。這是一種研究細(xì)胞衰老和長壽最常用的模式生物之一。因?yàn)榭茖W(xué)家對它的遺傳系統(tǒng)非常熟悉，對其相關(guān)的基因和蛋白功能了如指掌，所以稍有變化就能清楚地檢測到；而且，線蟲壽命有限，一般就是兩三周，倘若有基因或是因素影響到線蟲的壽命，能隨時(shí)觀察到。

以往的常規(guī)研究一般都關(guān)注基因序列的變異對線蟲壽命的影響，進(jìn)而確定長壽相關(guān)的基因?？茖W(xué)家也確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一些基因的變化會改變線蟲壽命。然而在這次實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家運(yùn)用了特殊的手段，于是有了意外的發(fā)現(xiàn)。

這項(xiàng)研究始于2010年，斯坦福大學(xué)的安妮·布魯內(nèi)特（Anne Brunet）帶領(lǐng)的小組專門研究一種名為ASH-2的蛋白質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)，這種蛋白在老化基因的開放與關(guān)閉中扮演著很重要角色，它會通過影響組蛋白和DNA的復(fù)合體，從而決定基因是否正常表達(dá)：當(dāng)有這種蛋白存在時(shí)，基因會呈現(xiàn)一種開放狀態(tài)，也就是一種表達(dá)增強(qiáng)的狀態(tài)，線蟲會正常衰老死亡；而缺乏這種蛋白時(shí)，基因就是一個封閉結(jié)構(gòu)，抑制表達(dá)，從而延長壽命。實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果表明，當(dāng)線蟲缺乏ASH-2時(shí)，其壽命平均可延長30%。

在此研究的基礎(chǔ)上，安妮·布魯內(nèi)特的學(xué)生艾瑞克·格里（Eric Greer）繼續(xù)深入。他首先從基因水平上進(jìn)行改造，阻斷了ASH-2的形成，再次證實(shí)了線蟲壽命有所延長；然后，他進(jìn)一步培育這個長壽線蟲的后代，跟蹤觀察后代、再后代的壽命。結(jié)果他發(fā)現(xiàn)了一個很意外的現(xiàn)象：雖然后代線蟲的基因都已恢復(fù)正常，但是它們的老化基因都沒有被正常表達(dá)，這些線蟲保留了祖先的長壽記憶，仍舊都是長壽線蟲。這一現(xiàn)象一直持續(xù)到第四代。

這一結(jié)論非常有趣。以往，科學(xué)家們都是通過改變基因來影響線蟲的壽命，而這次的研究結(jié)果不僅表明環(huán)境可以影響基因表達(dá)，而且僅通過改變基因外的蛋白就可以開關(guān)基因功能，這一結(jié)果更首次證明了不需要改變基因，這種長壽也可以遺傳，盡管目前看來這種遺傳僅僅持了四代，并不能持續(xù)太久，但這也從另一個角度證實(shí)，與此相關(guān)的遺傳病可能并不來源于基因的改變。

拉馬克再現(xiàn)？

科學(xué)家的這一發(fā)現(xiàn)，也同時(shí)讓人費(fèi)解。

說起來，其實(shí)，這種不改變基因的遺傳方式，并不是首次發(fā)現(xiàn)?？茖W(xué)家以前就曾觀察到，一些花的顏色改變并不是由基因?qū)е碌?，但這種變色卻能夠遺傳。在生物學(xué)上，這被稱之為“表觀遺傳學(xué)”。這一理論的主要代表人物就是我們熟知的拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck），也就是我們中學(xué)課本中，和達(dá)爾文比較對立的那個家伙。還是讓我們先把關(guān)于遺傳和進(jìn)化的觀點(diǎn)梳理一下吧。

人盡皆知，我們星球上如今存在的物種是經(jīng)過億萬年進(jìn)化而來，主要理論就是達(dá)爾文的進(jìn)化論——不同物種的不同性狀在自然選擇之下，處于競爭優(yōu)勢的，其存活和繁衍能力就更強(qiáng)，久而久之，物種通過生存競爭，經(jīng)過自然的選擇淘汰，不利的基因最終將被剔除，存在下來的都是有利于物種生存的，從而使物種向前進(jìn)化。達(dá)爾文的進(jìn)化論強(qiáng)調(diào)的是一種“優(yōu)勝劣汰”。

而拉馬克學(xué)說則認(rèn)為，生物本身有一種由低等向高等發(fā)展的動力，進(jìn)化動力是一種生物內(nèi)因，它們通過自身對環(huán)境的適應(yīng)來發(fā)生改變，順應(yīng)環(huán)境的變化，而且這種變化可以遺傳。拉馬克強(qiáng)調(diào)的是“用進(jìn)廢退”。

關(guān)于達(dá)爾文和拉馬克理論兩者之間的差別，有一個非常著名的長頸鹿例子——爭議的焦點(diǎn)在于，究竟是自然選擇了更長的脖子，為了讓它們能吃到更高樹葉，淘汰了短脖子，從而讓長脖子越來越多，后代都成為了長脖子呢，還是為了吃到更高樹葉，短脖子越伸越長，通過獲得性遺傳，后代也都變成了長脖子呢？

這繞口令般的矛盾，其焦點(diǎn)就是獲得性遺傳，也就是我們所說的“表觀遺傳學(xué)”。所謂獲得性遺傳，顧名思義，就是兩點(diǎn)：獲得性和遺傳。獲得性指的是通過后天的（非先天的）外界環(huán)境的影響所表現(xiàn)的性狀特征；遺傳是指這種外界影響的改變能夠遺傳給下一代。在當(dāng)時(shí)的條件下，達(dá)爾文和拉馬克的學(xué)說都各有支持者，后來在大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證下，尤其是遺傳學(xué)的發(fā)展，也就是我們熟知的孟德爾定律被證實(shí)，達(dá)爾文的進(jìn)化論逐漸得到肯定。

隨著分子生物學(xué)的知識和技術(shù)手段的日漸成熟，人們揭示出了遺傳的基本規(guī)律，那就是遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯，不同的基因序列會決定不同的結(jié)果。我們生命的特征和意義都存在于基因序列中。比如黑頭發(fā)、黑眼睛與金發(fā)碧眼，都是基因決定的。如果基因不發(fā)生變化，那么后代都會這般穩(wěn)定遺傳。

這是一個很順暢的已經(jīng)被廣泛接受的真理，但是，最近有越來越多的實(shí)驗(yàn)得出了不同的結(jié)論：比如去年就有兩篇論文涉及到表觀遺傳學(xué)，一篇介紹了用高脂肪食物喂養(yǎng)雄鼠，其雌性后代會變胖；另一篇介紹了通過外因來改變老鼠體內(nèi)膽固醇的新陳代謝，其后代體內(nèi)的膽固醇含量也會隨著發(fā)生改變。在更早些時(shí)候的例子中，當(dāng)雌性老鼠食用了某些特定的食物后，會改變其后代的毛色。至于低等動物和植物中，這類似的例子則更多。引人注目的是，在這些案例中，都沒有改變基因，卻都發(fā)生了性狀的遺傳，也就是都具有獲得性遺傳：后天獲得的特征可以不改變基因密碼而傳給后代。而在線蟲實(shí)驗(yàn)中，首次發(fā)現(xiàn)長壽這種復(fù)雜現(xiàn)象也可以表觀遺傳。

未解之謎

如今，科學(xué)家已經(jīng)越來越多地發(fā)現(xiàn)了表觀遺傳的例子，也正開始重視這一現(xiàn)象。當(dāng)然他們也對這一現(xiàn)象提出了自己關(guān)心的問題，同時(shí)也正嘗試著解答，比如本文所介紹的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家想解開的疑問是：既然長壽能夠遺傳，那為何只遺傳四代就結(jié)束了呢？據(jù)瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)表觀遺傳學(xué)家雷納多·帕羅（Renato Paro）推測，發(fā)生變化的位點(diǎn)標(biāo)記雖然能夠遺傳，但在一代又一代的遺傳過程中，會逐步被稀釋，就如同一杯糖水，在反復(fù)沖兌后，最終會沒有甜味。這一標(biāo)記在傳遞三代以后，也就不足以體現(xiàn)了。

表觀遺傳的核心問題仍舊是一個謎：這種標(biāo)記究竟是如何得以遺傳下來的？

一般的觀點(diǎn)認(rèn)為，倘若外界影響了基因，比如常見的甲基化，就是在DNA上某些特定部位結(jié)合了甲基，就稱為表觀基因標(biāo)記，到受精時(shí)，生殖細(xì)胞的表觀基因標(biāo)記都會抹掉，甲基化過的基因會完全去甲基化。所以，通常情況下，這種標(biāo)記不會傳遞下去，即先輩獲得的性狀，后代無法繼承。

但是現(xiàn)在，這通常的一般狀況正出現(xiàn)更多的特例。在2007年有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種蛋白能夠保護(hù)小鼠卵細(xì)胞中部分基因的甲基化標(biāo)記，也就是說，存在著表觀基因標(biāo)記從父輩傳遞到下一代的可能。

本文所述的實(shí)驗(yàn)也再次證明這一現(xiàn)象是可以實(shí)現(xiàn)的。但具體的分子機(jī)制則仍舊讓人難以理解。雖然基因序列沒有變化，但從DNA到蛋白質(zhì)，中間卻有太多的步驟可以對基因的最后表達(dá)有調(diào)控作用，比如我們剛才說的甲基化，還有乙?；€有siRNA在其中調(diào)控，還有蛋白質(zhì)的修飾變化，這些都會對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。

斯坦福的布魯內(nèi)特推測，線蟲實(shí)驗(yàn)的長壽遺傳有可能是細(xì)胞通過某種RNA分子或代謝產(chǎn)物對表觀遺傳學(xué)修飾的位置進(jìn)行了標(biāo)記，從而讓后代記住這一優(yōu)良特性。他們正通過實(shí)驗(yàn)努力搜尋這種標(biāo)記，來印證自己的推斷。因此，表觀遺傳學(xué)家雷納多·帕羅認(rèn)為這是目前表觀遺傳學(xué)研究中需要解析的一個重大問題。

另一個存在疑惑的地方是，線蟲身上得到的長壽遺傳數(shù)據(jù)究竟有多大的適用范圍。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵蛋白ASH-2在很多物種體內(nèi)都存在，小到單細(xì)胞的酵母，大到我們?nèi)祟悾遣皇强梢詫⑦@個試驗(yàn)的研究結(jié)果復(fù)制到我們?nèi)祟惿砩夏兀?/p>

暫時(shí)來看，這一期待還是過于樂觀。主要科研人員吉姆斯（Gems）指出，線蟲相對簡單，因此它的壽命也更容易受到某些外因的影響，但我們?nèi)祟悇t要復(fù)雜很多，壽命受很多因素影響。因此，這個實(shí)驗(yàn)只是一個開始，科研人員接下來計(jì)劃用更高級更復(fù)雜的動物來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定這種不靠基因就可以遺傳的長壽現(xiàn)象是否具有廣泛性，為將來研究人類的長壽做準(zhǔn)備。