超越基因的遗传:你遗传给后代的也许不只是基因信息

2018-09-07 09:37:12 新浪科技
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申博sunbet 北京时间9月7日消息,据国外媒体报道,多年以来,科学家一直认为基因带有生物的全部遗传特征,并将这一理论视作遗传学和进化生物学的基础。但该理论常常与实际研究结果产生矛盾之处。而随着近年来的一些新发现,情况更是变得复杂许多。

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申博sunbet 经典遗传学对“基因型”(即个体携带、且能够传给下一代的全部基因)和“表现型”(即个体受环境和经历的影响所产生、但无法传给下一代的特征)做了严格区分。只有由基因决定的特征才具有可遗传性,即可以传给子孙后代。因为遗传只能通过基因传递进行。然而与这种理论矛盾的是,许多动植物的分支可能基因完全相同,却出现了不同变种,并且这些变化还可以遗传,也能对自然选择做出反应。

申博sunbet 而另一方面,基因却无法解释亲属之间一些复杂特征和疾病的遗传规律。这一问题被称作“遗传性缺失现象”(missing heritability)。然而,虽然某人自己的基因型似乎无法解释其拥有的部分特征,其父母的基因却能够对未遗传这些基因的子女特征造成影响。不仅如此,对植物、昆虫、啮齿动物和其它生物的研究显示,个体一生中体验过的环境和经历,如饮食习惯、温度、寄生虫、社交关系等等,都可能影响后代的特征,人类也不例外。这些发现明显符合“获得性遗传”(inheritance of acquired traits)的定义。而有人做了一个形象的比喻,获得性遗传就像在网络时代之前,一封由北京发出的中文电报传到伦敦时、已经自动翻译成了英文一样,几乎不可能实现。但如今的科学期刊上屡次出现对这一现象的报告。就像网络和即时翻译使通讯发生了革命性转变一样,分子生物领域的一些新发现也在改变我们对遗传的理解。

申博sunbet 如今有越来越多的新发现与根深蒂固的遗传学理念相违背。而如何解释这些新发现,无疑是生物学家面临的一大挑战。任何人只要读一读近期的相关研究,再看看本科生物课本的引言部分,就能意识到理论和实际之间的偏差正与日俱增。传统的遗传学概念显然存在不足之处,因为它断言遗传仅由基因决定,否认部分环境及经历影响也能遗传给后代的可能性。

申博sunbet 如果部分非基因引起的变异能够遗传,那么这些变异也能对自然选择做出反应,即使基因不变,后代的表现型也会因此发生变化。这些变化并不符合进化的标准基因定义(即代际之间只有等位基因频率会发生变化)。而经进化遗传学家费奥多西•多布然斯基(Theodosius Dobzhansky)修订后的定义指出,基因并非可遗传变异的唯一来源,因此也并非在自然选择影响下导致代际间表现型变化的唯一原料。不过要提醒大家的是,达尔文当时也并未意识到基因与非基因变异之间的区别。他的根本思想是,当自然选择对种群内的可遗传变异发挥影响时,可以使后代的平均特征发生变化。因为如果某种可遗传特征能够有效提高生物生存率,拥有该特征的个体数量就会在同一代中占更大的比例。因此就算在遗传中加入非基因机制,也依然符合达尔文的基本思想,不需要做任何改动。

申博sunbet 作为非基因因素造成的影响之一,母体效应早在几十年前就已经被人注意到了。母体效应是指,母体的表现型会影响其后代表现型,并且这种效应无法用母体等位基因的传递来解释。由于母体可通过多种途径影响后代,产生的效应也多种多样,包括跨代表观遗传、卵细胞结构变化、子宫内环境、排卵或分娩时母亲所在地、子女将经历的环境变化、以及产后的生理与行为互动等等。有些母体效应会对母体特征造成负面影响、进而影响后代发育(如母体中毒、生病、衰老等等),而有些母体效应则可产生积极影响。由此可见,母体效应对母体和后代健康既可能有利、也可能不利。

申博sunbet 一直到不久之前,母体效应还被视作一种讨厌的东西,是遗传学研究中的“环境误差”来源之一。遗传学家还一度十分笃定,在大多数物种中(包括苍蝇和小鼠等实验室中的“模型生物”),父方传给后代的仅有等位基因而已。但近期研究在小鼠和其它许多物种中发现了大量“父体效应”的例子。事实上,在有性生殖物种之中,父体效应其实和母体效应一样普遍。

申博sunbet 父母双方的生活环境、经历、年龄和基因型都可对后代产生影响。一些环境因素(如某种毒物或营养物)可导致父母身体发生能够影响后代发育的变化。此外,衰老也会影响生物的生殖特征、以及可遗传的非基因因素,因此也会对后代发育造成影响。

申博sunbet 当父母之一的某一基因表达对后代表现型造成影响时,这种情况名叫“间接遗传效应”(indirect genetic effects)。可能与直觉不符的是,这种效应其实属于非基因遗传,因为它主要受非基因因素的传递控制。例如,父母中一方体内的某个基因表达可能会影响其针对后代表现出的行为,或者改变生殖系中其它基因的表观遗传信息,因此即使后代并未继承这一基因,发育也会受其影响。

申博sunbet 在一项小鼠研究中,科学家发现了一个惊人的间接遗传效应的例子。维基•尼尔森(Vicki Nelson)和同事们通过让不同种类的小鼠进行杂交,培育出了一些雄鼠。这些雄鼠的基因几乎完全相同,唯独Y染色体不同。接下来,他们提出了一个非常奇怪的问题:雄性生物的Y染色体会对其雌性后代产生影响吗?任何上过高中生物课的人都知道,女儿是不会继承父亲的Y染色体的。所以按照经典遗传学的逻辑,父方Y染色体上的基因不应对女儿产生任何影响才对。但尼尔森和同事们发现,Y染色体的确会对雌性后代的生理及行为特征产生多种影响。事实上,Y染色体对雌性后代的影响足以与其继承的常染色体和X染色体相媲美。虽然其中的机制尚不清楚,但Y染色体上的基因肯定是通过某种方式改变了精子细胞质、精子表观基因组、或精液的构成等等,从而使Y染色体上的基因能够影响未继承这些基因的后代发育。

申博sunbet 有些母体和父体效应似乎是为了让后代提前适应出生后将面临的环境。帮助后代应对天敌的“预期”父母体效应便是一个典型的例子。有一种名叫水蚤的小型淡水生物,借一对长长的附肢向前一蹿一蹿地运动。它们很容易成为其它昆虫、甲壳类动物和鱼类的猎物。当它们觉察到天敌的化学信息后,有些种类的水蚤的头部和尾巴就会冒出尖刺,使自己更不易被捕获和吞食。而常暴露在天敌环境中的水蚤的后代即使在没有接收天敌的化学信息时,也会长出尖刺。这可能会影响它们的生长速度和生活经历,进一步减小它们在天敌面前的脆弱度。许多植物也存在这种天敌防御机制的跨代传递现象。受到毛虫等天敌攻击时,植物便会长出可分泌不可食用的防御性化学物质的幼苗(或者在天敌发起攻击时能更快地启动防御机制),而这些后天激发的防御机制可以持续传递好几代。

申博sunbet 虽然我们还不清楚雌性水蚤是如何引发后代的尖刺发育的,但我们通过一些例子了解到,在有些明显为适应环境而产生的母体与父体效应中,常包含将特定的化学物质传递给后代。例如,响盒蛾(Utetheisa ornatrix)可通过食用含吡咯类生物碱的豆科植物将这种毒素摄入体内。雌性响盒蛾会被体内富含该毒素的雄性发出的气味吸引,而这些雄性响盒蛾的精液中也含有该毒素。这样一来,这些毒素便会被带入雌性响盒蛾的卵细胞中,其后代便不会成为天敌的腹中餐。

申博sunbet 生物还可帮助后代为即将面临的社会环境和生活方式做好准备。例如,沙漠蝗虫(Schistocerca gregaria)存在两种截然不同的表现型:一种为灰绿色的“独居型”,一种为黑黄色的“群居型”。群居型的沙漠蝗虫通常繁殖率更低、寿命更短、脑部更大,并且常常聚成一大群、将所到之处的植被扫荡一空。沙漠蝗虫一旦遇到一大群密集的蝗虫,便会从独居型迅速切换到群居型。而雌性蝗虫交配前的种群密度也会影响其后代的表现型。但有趣的是,这种表现型的变化要经历好几代才能全部显露出来,说明这种母体效应可以一代代不断累积。此类母体效应似乎是通过卵细胞质、以及/或者蝗虫卵表面覆盖的副性腺分泌物传递给后代的特殊化学物质实现的,不过生殖系中表观基因的变化可能也发挥了一定作用。

申博sunbet 不过,父母的生活经历对后代的影响不一定都是积极的。首先,生物可能对环境信息解读有误,或者环境变化太快,导致后代特征朝着错误的方向调整。例如,假如在雌性水蚤的影响下、后代长出了尖刺,但天敌始终不曾露面,这些尖刺就毫无作用了。在这种情况下,父母体效应反而对后代有害。一般来说,后代面临的问题更为复杂,不仅有从父母那里接收的环境信息,还要处理自己从身边环境直接接收的信息。具体该采取何种发育策略,还要由最有用、最可靠的环境信息来决定。

申博sunbet 虽然父母体效应可能适得其反,但整体来看,这些效应还是较利于自然选择的。然而,许多父母体效应根本无法帮后代适应环境。压力就是其中之一。压力不仅对生物本身有害,对后代也不利。例如,美国伊利诺伊大学的凯蒂•麦吉(Katie McGhee)、艾莉森•贝尔(Alison Bell)等人开展的研究显示,暴露在模拟天敌攻击下的雌性棘鱼生出的后代学习速度更慢,在遭遇真正的天敌时也无法采取合适的对策,因此更容易被天敌吞食。而在人类中,母体在妊娠期吸烟也会对子女产生类似的影响。对人类及啮齿动物的相关性研究显示,妊娠期吸烟不仅无法提高子女的呼吸系统耐受力,反而会改变子宫内环境,导致子女更容易出现肺功能减弱、哮喘等问题,此外还有出生体重轻、精神障碍等风险。另外,在从酵母菌到人类的各种生物中,衰老的父母都更容易产生体弱或短命的后代。虽然通过生殖系传递的基因变异可能对这种“父母体衰老效应”有一定影响,但非基因遗传还是发挥了主要作用。因此,虽然有些父母体效应可增强后代体质,但有些则会将病原体或压力传递给后代。这些不利于后代适应环境的父母体效应的影响足以与基因变异相比。不过与基因变异不同的是,父母体效应与特定环境间的关联较为稳定,而基因变异则比较难以预料。

申博sunbet 父母体效应有时会对后代有害,说明后代应当也有缓解这些危害的方法,如阻断特定的非基因信息传递等等。即使父母和后代对身体健康的要求一致,也会发生这种情况,因为若错误的环境信息或父母体内的病原体传递给了后代,对父母和后代都不利。然而,达斯汀•马歇尔(Dustin Marshall)、托比亚斯•乌勒(Tobias Uller)等人指出,父母和后代对身体健康的要求很少有真正一致的时候,因此父母体效应常常造成父母与子女的特征冲突。个体分配资源时,总是要最大化满足自身的健康利益。假如某一生物个体一生中需多次繁殖后代,它就要决定如何把资源分配给每一胎。例如,它可以选择增加后代数量、以此提高繁殖成功率,但这样一来,分配给每个后代的资源就会相应减少。但由于每个后代从母体获取的资源越多、对自身越有利,这种“自私”的繁殖策略便会影响后代利益。因此后代可能会采取相应的策略,尽量从母体身上多掠夺一些资源。

申博sunbet 令情况更加复杂的是,父母双方的利益也可能产生分歧。例如,生物学家戴维•海格(David Haig)曾经指出,父亲往往可通过帮助后代多掠夺母体资源使自身获益,即便要以牺牲母体健康为代价。这是因为,只要雄性有机会与多位雌性繁殖后代,就意味着每位雌性也可能和其它雄性交配。为满足自身后代的利益,雄性便会自私地掠夺配偶的身体资源。这种父母与后代间的冲突、以及父母双方之间的冲突可能有重要研究意义,但在非基因遗传领域仍鲜有人涉足。

申博sunbet 在某种生物生存环境的无数种构成因素中,饮食习惯对达尔文理论中的体质、健康和其它特征尤为重要。研究发现,饮食习惯甚至可以对连续数代都产生重大影响。一名科学家一直在研究饮食习惯对指角蝇(Telostylinus angusticollis)的影响。指角蝇生活在澳大利亚东海岸,以腐烂的树皮为食。雄性指角蝇之间常常差别巨大。在同一棵树上,有的雄性指角蝇可长达2厘米,有的却只有5毫米。然而用实验室中的标准食谱喂养时,所有指角蝇的体型都趋于一致。说明野生指角蝇的体型差距主要由环境因素、而非基因导致。换句话说,若指角蝇幼虫能接触到营养更丰富的食物,便会发育成体型更大的成虫,而营养不足的幼虫长大后则体型较小。

申博sunbet 但雄性指角蝇这种由环境引发的表现型变异能否传递给后代呢?为弄清这一点,研究人员将一胎所生的雄性指角蝇幼虫分为两组,一组喂给富含营养的食物,另一组则喂给稀释过、营养较低的食物。

申博sunbet 这些幼虫长大后,兄弟之间便产生了体型差距。接着,研究人员让它们与一群用相同食物喂养的雌性指角蝇交配。结果发现,体型更大的指角蝇产生的后代也更大。后续研究显示,这种非基因父体效应可能是由精液中的某种物质传递给后代导致的。不过,由于雄性指角蝇射精量很少,远少于其它部分昆虫雄性的射精量,因此该效应似乎未涉及父体向母体、或向后代传递营养物质。

申博sunbet 研究人员最近发现,这种效应甚至还能延伸到其它雄性的后代身上。安吉拉•克雷恩(Angela Crean)利用上述方法,培育了一批大小各异的雄性指角蝇,然后让每只雌性指角蝇分别与两种大小的雄性各交配一次。其中第一次交配时,雌性指角蝇的卵子尚未成熟。但两周后第二次交配时,卵子已经成熟,且外面包裹了一层壳,防止外物渗漏进来。第二次交配不久,雌蝇便产下了卵。研究人员对产下的后代基因进行了分析,判断它们的父亲是谁。由于蝇类只有卵子成熟后才能受精(精子可通过一条特殊“通道”进入卵细胞),而且精液不大可能在雌蝇体内保存两周之久,因此结果并不意外:几乎所有后代都属于第二次交配的雄蝇。但有趣的是,研究人员发现,这些后代的体型竟受到了第一次交配对象饮食习惯的影响。换句话说,如果雌蝇第一次交配的对象在幼虫时期得到了充足的营养,尽管第一批雄蝇并不是雌蝇所生后代的父亲,但这些后代同样拥有较大的体型。此外,科学家通过另一项独立实验证明,雌蝇不可能通过对第一任配偶的视觉或激素评价、决定对后代投入多少资源。因此研究人员总结,第一批交配的雄蝇精液中可能含有某种分子,并被雌蝇未成熟的卵子所吸收(或者影响了雌蝇对正在发育的卵子投入的资源),从而影响了另一位雄性后代的发育。这种非父母体跨代效应(又被进化学家奥古斯特•魏斯曼(August Weismann)叫做“先父遗传”)在孟德尔遗传学出现之前,曾受到过科学界的广泛讨论。但该理论早期提出的证据毫无说服力。而此次研究首次在现代科学界证实了这种效应的可能性。尽管先父遗传不属于传统的垂直遗传(父母-子女)范畴,但它显示,非基因遗传有可能并不符合孟德尔假说。

申博sunbet 在哺乳动物中,也有大量证据显示父母的饮食习惯可对后代造成影响。从20世纪上半叶开始,就有科学家开展了对小鼠饮食习惯的研究,尤其是蛋白质等关键营养素的影响,希望借此更好地了解营养不良对健康产生的后果。上世纪60年代,研究人员惊讶地发现,妊娠期间摄入蛋白质较少的雌性小鼠生出的子代和孙代都更容易体弱多病,大脑体积较小,神经元数量较少,在智力和记忆测试中的得分也偏低。近年来,研究人员开始更多地关注营养过量或营养不均衡的影响,将大鼠和小鼠作为实验模型,希望借此研究越来越普遍的人类肥胖问题。如今科学界已经普遍认识到,雄性和雌性动物的饮食均可影响后代的发育与健康。有些影响是通过胚胎干细胞在子宫中时的表观基因变化产生的。例如,雌性小鼠若摄入脂肪过多,胚胎体内负责生成血细胞的造血干细胞增殖速度便会下降;而若摄入太多含甲基的食物,则可促进胚胎神经干细胞的增殖。此外,若雄性小鼠摄入脂肪过多,其雌性后代的胰岛素分泌和葡萄糖耐受度便会下降。有证据显示,人类也存在这类现象。

申博sunbet 面对当前不断扩大的遗传学研究,我们不禁想起了上世纪20年代的遗传学、或50年代的分子生物学。如今我们掌握的知识不多不少,既能让我们意识到自己有多么无知,又让我们了解到前方还面临哪些挑战。但我们至少能得出一点结论:一个世纪以来深刻影响着实证和理论研究的高尔顿假说如今已越来越站不住脚,这意味着生物学面临着极令人激动的前景。在今后数年中,实证研究人员必将忙着探索非基因遗传的机制、观察其生态影响、并分析对进化造成的后果。这需要科学家研发新工具、设计新实验。理论学家的工作也将同样重要,要负责明确概念、进行预测。此外,在实际的医学和公众卫生领域,我们也愈发清楚地意识到,我们不需要“被动地接受父辈的遗传”,因为我们的生活经历也可以影响自己的后代。

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