Nature：父辈的印记

小丫 · 发表于 2014-4-30 19:42:26

去年10月，BrianDias当上了爸爸，他有了一个儿子。他和全天下所有父亲一样，对今后即将面对的责任感到了一股莫名的焦虑。因为从那一刻起，他所做的每一个决定都将影响儿子未来的发育，包括身体上的和心理上的。但是和其他父母不同的是，Dias非常清楚自己过去的经历可能会对孩子带来一些影响，如果算上他父母，他祖父母，他太祖父母的经历，那就更多了。
一个人的祖先住在哪，或者他们对教育的重视程度如何，这些信息都能够一代代地遗传下去。可是祖先的健康情况、是否吸烟、耐饥饿程度如何，是否参加过战争，这些信息也会遗传下去吗？
作为美国埃莫里大学（Emory University in Atlanta, Georgia）Kerry  Ressler实验室的博士后，Dias在他儿子出生之前，已经花了两年多的时间，想通过小鼠动物试验来回答上面那些问题。他尤其关注的一个问题是与恐惧相关的某种气味对小鼠会产生怎样的影响，这种影响又会给小鼠后代的大脑留下什么样的印记。
Dias首先让雄性小鼠接触苯乙酮（acetophenone），这是一种镇静催眠药，闻起来有一种甜甜的杏仁味，然后再对这些小鼠的足部给予一个较轻的电击刺激。这些小鼠每天都被这样“折腾”5次，连续3天之后，它们对杏仁味就非常害怕了，再闻到杏仁味时就会被吓得一动不动，哪怕没有被电击也是如此。
10天之后，Dias让这些雄性小鼠与正常的雌性小鼠进行交配。这些小鼠的后代成年之后，其中有很多都对杏仁味非常敏感，而且在它们闻到杏仁味时，如果突然出现一点噪声，这些小鼠也更容易被吓住。这些小鼠的后代，即第一代实验鼠的“孙辈”在有杏仁味的环境中也会显得更加的神经质。除了这些生理反应之外，这三代小鼠还有一个共同点，那就是它们鼻腔里的M71神经纤维球（M71  glomeruli）明显要比其它小鼠大一些，这些M71神经纤维球是鼻腔内专门感受杏仁味，并且将信号传递给大脑嗅球（olfactory  bulb）神经元细胞的结构。Dias和Ressler在今年1月出版的《自然神经科学》（Nature  Neuroscience）杂志上发表文章称，这种环境因素的遗传现象应该也属于表观遗传学（epigenetics）的范畴。所谓表观遗传学指的就是基因组上的一种化学修饰现象，这种作用可以在不改变基因序列的前提下影响DNA的包装和基因表达。
生物学家们是在植物中第一次观察到这种表观遗传现象的。比如西红柿就可以遗传一种非常重要的化学修饰模式，该修饰能够对一个与西红柿成熟相关的重要基因起到调控作用。但是近几年来科学家们也不断地发现，在啮齿类动物和我们人类自身中也能够观察到这种表观遗传现象。不过学界对这一观点还持有争议，其中有部分原因是因为这种观点很容易让大家联想到另外一个人，那就是19世纪的一位法国生物学家Jean-Baptiste  Lamarck。Lamarck认为生物能够将获得性性状（acquired  traits）遗传给下一代，不过很多人都不认可这种理论。美国马萨诸塞大学医学院（University of Massachusetts Medical  School in Worcester）的分子生物学家Oliver Rando就指出，Lamarck的这种理论在我们现代生物学家看来实在是有点耸人听闻。不过  Rando通过自己的研究也发现，在动物中的确存在这种遗传现象。他表示：“如果这是真的，为什么几百年来那么多优秀的科学家都没有发现呢？”
大家之所以对这种理论持怀疑态度，有一个很重要的原因就是因为没人知道这种遗传的具体机制是什么。要阐明这个问题，就得在生殖生物学（reproductive  biology）方面下大工夫，才能搞清楚在生殖细胞（能够分化成为精子细胞和卵子细胞的细胞）中如何形成相关的信号，起码可以让我们一览人类遗传的神奇之处。
由于母亲在怀孕时就有可能将环境因素对母体造成的影响遗传给胎儿。因此，要清楚地研究这种表观遗传现象，生物学家们只能够将目标锁定在父亲身上，这些科学家们也一直在研究精子细胞是如何获得，或者失去这些表观遗传学修饰物的。据澳大利亚阿德莱德大学（University  of Adelaide in Australia）的生殖生物学家Michelle  Lane介绍，在近两三年内，他们也取得了一些进展，掌握了一些新信息。但是相关的机制研究也还处在“胚胎”水平，这对他们而言就是一个黑匣子。
植物怪兽和肥胖儿
表观遗传学革命开始于21世纪初期，当时科学家们开始不断地报告称，漫不经心的母亲、儿童时期遭受的虐待、高脂饮食、空气污染等各种环境因素都能够对DNA造成影响，在DNA上添加或者去除掉一些化学修饰物标签，起到控制基因表达，或者关闭基因表达的作用。不过十几年过去了，大家对这种观点还是存在争论（Nature  467,146–148; 2010）。而认为这种表观遗传学修饰物能够遗传给下一代的观点更是引发了巨大的争议。
瑞典植物学家Carl  Linnaeus是第一个观察到这种遗传现象的人。Linnaeus在1740年获得了一份植物样本，这个植物看起来与普通的云兰（toadflax）属植物柳穿鱼（Linaria  vulgaris）没什么区别，不过就是开出的花不一样。但是这在Linnaeus的眼里却非同寻常，因为按照当时的观念，植物是根据花的结构来进行分类的。于是他这样写到：“这件事就好像一头母牛生下了一个长着狼脑袋的小牛犊一样不可思议。”因此他将这株植物命名为  Peloria，即希腊语“怪兽”的意思。
到了20世纪90年代，英国John Innes中心（John Innes Centre in Norwich, UK）的植物学家Enrico  Coen发现，这种植物怪兽的基因组中有甲基化基团（methyl groups）对  Lcyc基因造成了影响，彻底抑制了该基因的表达（我们知道DNA甲基化修饰的常规作用就是关闭基因表达），而Lcyc基因就是与该植物花结构相关的重要基因。Coen的课题组还发现，这些甲基化修饰物能够遗传给下一代。
他们的科研成果发表之后一直到2000年代中期才第一次被人注意到。当时在欧洲开展了一个很大规模的表观遗传学研究工作，发现在人类中也存在这种表观修饰物遗传现象。还有一个对瑞典历史文献进行的回顾性研究发现，在青春期前经历过饥荒的男性的孙辈与普通人（不缺食物的人）相比，不太容易患上心脏病或者糖尿病。在英国也曾经对孩子们进行过类似的研究，该研究于2005年发表，他们发现在11岁之前就开始吸烟的男性，其后代超重的风险会大大升高。
不过很多科学家对此表示怀疑。因为表观遗传学研究往往都很散乱，很难排除一些混杂的变量。不过近几年来开展的几个啮齿类动物研究对上述结论提供了支持性的证据，而且也逐渐发现这些环境变量会对动物的精子细胞造成影响，将性状传递给精子细胞。
精子标记
比如用高脂食物喂养的雄性大鼠的雌性后代，胰腺中DNA甲基化的水平就会出现异常；用低蛋白食物喂养的雄性大鼠的后代，肝脏中胆固醇相关基因的表达水平也会发生改变。糖尿病前期（prediabetes）雄性大鼠的精子细胞也会呈现出异常的甲基化修饰现象，它们的子辈和孙辈患上糖尿病的风险也要远远高过普通大鼠。据负责低蛋白饮食试验的Rando介绍，他们很多人都已经观察到了这种来自父亲的影响（遗传）作用，也花了很多时间研究这个问题，试图找出其中的作用机制。动物研究引发了很大的争论。其中最具争议的一个试验结果就是美国华盛顿州立大学（Washington  State University in Pullman） Michael  Skinner实验室发表的结果。Skinner的课题组给怀孕的大鼠用了大剂量的杀虫剂（pesticides）和杀真菌剂（fungicides），这使得这些大鼠的子女在成年之后出现了器官损伤的现象。其中雄性后代的精子细胞出现了  DNA甲基化修饰异常的现象，而且这种改变至少被遗传了四代。
但是至少有两个实验室都没能重复出这个试验结果。2010年，美国联邦调查人员发现，Skinner实验室的1名博士后在另外一篇相关的文章中捏造了试验数据，该文章的作者在  2009年时已经撤回了那篇文章。不过Skinner指出有一些实验室重复出了他们的试验结果，那些试验失败的人是因为试验方法有问题。去年，Skinner实验室又成功地重复出了当年那篇被撤回的文章所提出的试验结果。
甲基化作用机制
了解这种表观遗传机制非常困难，难点之一就在于在绝大部分相关的研究中所检测的指标，比如血糖、血脂、生育能力等方面的变化情况还会受到其它很多因素的影响，因此很难得出确定的因果关系结论。相比之下，Dias和Ressler的苯乙酮试验则充分利用了一条生物学规律和特性，即化学物质只能够与某个特定的受体结合，而该受体又只能由一个基因编码并表达，他们在这个实验中采用的就是苯乙酮和Olfr151基因这一对组合，“这就是我们这个研究的最大特点。”  Rando介绍说。
Dias和Ressler明确指出他们并没有发现具体的作用机制，但是他们拿出了一个说得通的理论假设。他们发现，不知道是什么原因，实验中屡次出现的恐惧气味信息让小鼠精子细胞中Olfr151基因的甲基化修饰水平降低了。他们还进行了体外受精试验，排除了在交配过程中通过身体接触等其它渠道遗传这种恐惧因子的可能性。这种表观恐惧因子通过精子细胞遗传给了下一代，使子代小鼠鼻腔中Olfr151受体的表达量升高，因此对苯乙酮的气味也更加敏感。
但是这条因果关系链还是不太牢靠。美国埃莫里大学的发育遗传学家William  Kelly认为，这条证据链中有很多断点，所以也只能算是一种可能而已，仅此而已。他们还是不知道环境因素信息在父辈和子代间是如何传递的。
第一个问题就是环境因素的作用是如何进入动物生殖细胞的？具体到Dias的试验就是苯乙酮味道这种恐惧因子是如何进入试验小鼠的精子细胞的？由于生殖细胞能够表达嗅觉受体，因此精子细胞中的Olfr151受体有可能会感受到血液中的气味分子，从而使得精子细胞  DNA的甲基化修饰状态发生了相应的改变。
另外一种可能就是，当试验小鼠经受了苯乙酮和电击刺激之后，它们可能会表达一些  RNA分子（也许是在大脑中表达），然后这些RNA分子会进入血液循环系统，与精子细胞接触，特异性地对精子细胞的Olfr151基因发挥作用。很多植物研究也都发现了这种全身性的RNA穿梭现象和机制。比如植物叶片中表达的RNA分子就可以经由植物的脉管系统到达其它位置，并且影响当地基因的表达水平。
但是给精子细胞加上一个表观遗传学标记这还只是第一步。这种表观遗传印记如果要遗传那么多代，那么信号就得先保证在经历了很多轮的表观遗传学重编程（epigeneticreprogramming）作用的“洗礼”之后还能够  “历久弥新”。对于哺乳动物而言，这些表观遗传学重编程步骤在受孕之后的几个小时之内就已经启动了，还处于单细胞状态的胚胎此时就会“剥掉”源自精子细胞那一半DNA上的大部分甲基化修饰基团。随着胚胎的进一步发育和分裂，胚胎干细胞会逐步分化为各种组织细胞，在这个过程中会慢慢重建其甲基化修饰模式。即便源自父亲的某些表观遗传学修饰信号在这个过程中能够侥幸保存下来，但是胚胎自身的原生殖细胞（primordial  germ  cell）在将来动物成年之后会分化为精子细胞或卵子细胞之后，在繁衍过程中还是会再经受一次表观遗传学重编程过程，这种表观遗传学修饰信号怎么能够经受住这么多次的考验呢？
有一些基因会自己想办法躲过这个表观遗传学重编程过程。其中最著名的例子就是基因印记现象（imprint），即父方或母方的基因会持续保持甲基化修饰状态，基因表达被彻底关闭。精子或卵子细胞也会携带这种甲基化修饰物，而且一直将其携带到胚胎里。
目前已知具有基因印记效应的基因达到了100个左右，但还有很多非印记基因可能也借助了同样的机制在逃避表观遗传学重编程作用的清洗。据加拿大麦基尔大学（McGill  University in Montreal, Canada）的表观遗传学家Sarah  Kimmins介绍，越来越多的人认为，在精子细胞中有更多的、超出了我们之前预计的DNA序列区域会逃避表观遗传学重编程作用的清洗。可是他们不知道为什么会这样，它们是怎么做到的。也许通过对印记基因的研究能够帮助他们发现一点线索。
让我们再回到Olfr151基因上来，即便该基因也躲过了表观遗传学重编程作用的清洗，我们也很难解释它为什么会对后代的行为产生这么大的影响作用。据Dias和Ressler报道称，在他们从试验小鼠获得的精子样本中，每  100个精子中大约有86个存在Olfr151基因甲基化修饰的现象，在用另外一种气味进行试验的平行试验组中，每100个精子中大约有95个存在Olfr151基因甲基化修饰的现象。这种差异是具有统计学意义的，但是差别并不太大。而且实验鼠后代的行为也受到了明显的影响，在苯乙酮试验组中，有一半试验动物的后代对这种气味的敏感度都要高于普通小鼠。
另有其人
虽然有关这个遗传机制的问题让很多人挠头，也吸引了很多人来研究这个问题，但还是有少部分人不相信存在这种遗传，他们感觉这就好像是童话故事一般。Kelly就引用  Rodgers和Hammerstein版的音乐剧《灰姑娘》中的台词说道：“每天都在发生着不可能发生的事情。”
比如在Dias实验中观察到的DNA甲基化现象就有可能是另外一条作用机制完全不同的途径的“副产物”。
途径之一可能就是组蛋白（组蛋白就是包裹着DNA的一种核蛋白）修饰机制。乙酰基团（Acetyl groups）和甲基基团（methyl  groups）都能够连接到组蛋白上，影响相关  DNA区域的表达。但是在精子细胞的形成过程中，DNA会与这些组蛋白脱离，转而与鱼精蛋白（protamines）结合，而且结合得更加紧密。
不过即便如此，还是有大约10%的组蛋白（指的是我们人类，小鼠只有1%）会被保留下来。这些位点就有可能起到传递表观遗传学修饰信息的作用。有科研人员在2011年发表文章称，线虫（nematode  worms）体内的某些组蛋白修饰物可以伴随线虫终生，而且能够被遗传好几代。Kimmins等人也在去年的12月称，她们发现用低叶酸（这是构成甲基基团的原材料）饮食饲养的雄性小鼠，其精子细胞中组蛋白的甲基化水平明显降低，这些小鼠后代中发生出生缺陷的比例也明显增高。其他一些研究也指出，附着在DNA分子上，对基因表达起调控作用的小RNA分子也可能与此遗传作用有关。2012年发表的一份调查报告显示，在不吸烟的男性中，他们的精子细胞内有28种microRNA的表达与吸烟男子有差异。而且这些RNA分子的表达模式可以被遗传数代之久。去年，Lane的课题组发现，肥胖雄性小鼠的精子细胞中也有11个microRNA的表达有异常情况，这些microRNA分子能够将胰岛素抵抗（insulin  resistance）的特性遗传给自己的子孙，达两代之久。

彻底清洗一切痕迹。科研人员正在努力探究DNA甲基化修饰等表观遗传学标志物是如何在哺乳动物中一代代地遗传下去的。在胚胎发育过程中，将来注定会发育成精子细胞的胚胎生殖细胞会经历一连串表观遗传学重编程作用，即先去掉某些表观遗传学修饰物，然后再添加一些表观遗传学修饰物，来个彻底的改头换面。
因此Rando认为，这种遗传机制也许还有另外一种可能，也许是朊病毒（prions）。朊病毒是一种折叠发生错误的蛋白质，具有传染性，已经有研究发现，朊病毒与出芽酵母（budding  yeast）的某些可传递性状相关（Nature 482,294–296;  2012）。当然也有可能是精液里精子细胞之外的其它某些成分在起作用。有科研人员在今年1月报道称，精囊缺失的雄性小鼠的后代与对照组相比更肥胖，代谢问题也更严重，这说明精液中的某些成分也可能对精子细胞的基因表达，以及雌性动物的生殖道起到了一定的影响作用。
Rando估计，如果这种表观遗传机制与  DNA甲基化、组蛋白，或者RNA分子有关，那么用不了几年我们就能够取得重大突破了，不过他也同时说道：“但是如果与这些因素全都无关，我们也许又得在黑暗中再摸索几十年。”
Dias将于今年4月前往美国波士顿市，参加一个重要的表观遗传学学术会议，了解该领域最新的研究进展。他两手交叉在一起说道：  “如果说科学教会了我什么，我认为那就是永远不要放弃继续追求科学的真相。”
原文检索：
Virginia Hughes. Epigenetics: The sins of the father. Nature, 05 March 2014;  doi:10.1038/507022a

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