普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)行為可以在秀麗隱桿線蟲中多代遺傳，通過卵子和精子細(xì)胞從父母?jìng)鹘o子代。Rebecca Moore，Rachel Kaletsky和Coleen Murphy詳細(xì)介紹了這一發(fā)現(xiàn)的論文發(fā)表在6月13日的Cell雜志上。

眾所周知，生物體的特征是通過種子的卵子和精子從父母?jìng)鹘o后代的基因編碼的。某些性狀的遺傳完全取決于個(gè)體是否從每個(gè)親本接受相關(guān)基因的顯性或隱性形式。其他遺傳性狀受遺傳組成和營養(yǎng)，溫度或環(huán)境壓力等因素的影響，這些因素可影響相關(guān)基因的表達(dá)水平。其遺傳不僅由DNA序列驅(qū)動(dòng)的特征被稱為“表觀遺傳”(前綴“epi”表示“在...之上”)。

由于表觀遺傳機(jī)制，生物體的表型在其生命周期中可能發(fā)生變化。例如，在微觀蛔蟲秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)中，饑餓或熱應(yīng)激促使動(dòng)物通過改變多個(gè)基因的表達(dá)來適應(yīng)這些條件。在基因組水平上，通過改變編碼基因的DNA的緊密程度，可以使這些變化變得持久，從而調(diào)節(jié)其對(duì)RNA轉(zhuǎn)錄機(jī)制的可及性。或者，細(xì)胞可以參與破壞或隔離蛋白質(zhì)編碼RNA轉(zhuǎn)錄物的機(jī)制。當(dāng)這些修飾在生殖細(xì)胞中進(jìn)行時(shí)，它們可以傳遞給后代，這種現(xiàn)象被稱為跨代表觀遺傳。研究表明，秀麗隱桿線蟲對(duì)饑餓和熱應(yīng)激的適應(yīng)可以遺傳幾代?？赡軙?huì)以這種方式傳遞更復(fù)雜的表型，例如行為改變?

在它們的自然環(huán)境中，蠕蟲與許多不同的細(xì)菌物種接觸。其中一些是營養(yǎng)食物來源，而另一些則會(huì)感染并殺死它們。蠕蟲最初被病原體銅綠假單胞菌吸引，但在感染后，他們學(xué)會(huì)避免它。否則他們會(huì)在幾天內(nèi)死去。“

普林頓分子生物學(xué)系和Lewis-Sigler綜合基因組學(xué)研究所教授Coleen Murphy

摩爾和她的同事們研究了秀麗隱桿線蟲能否將這種學(xué)習(xí)的回避行為傳達(dá)給他們的后代。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)母蠕蟲學(xué)會(huì)避免致病性銅綠假單胞菌時(shí)，他們的后代也知道要避免細(xì)菌。即使從未遇到病原體，后代對(duì)假單胞菌的自然吸引力也被超越。值得注意的是，這種遺傳的厭惡行為持續(xù)了四代，但在第五代，蠕蟲再次被假單胞菌吸引。另一個(gè)令人驚訝的是，研究人員觀察到學(xué)習(xí)回避的遺傳并不是所有病原菌的普遍存在;雖然母蠕蟲可以學(xué)會(huì)避免致病性細(xì)菌粘質(zhì)沙雷氏菌，這種細(xì)菌比線蟲中的假單胞菌少。'環(huán)境，這種厭惡并沒有傳給后代。令人感興趣的是，研究人員開始探索什么控制銅綠假單胞菌避免行為的傳播。

“繼承這種學(xué)習(xí)避免的過程[也]需要小RNA的活動(dòng)，稱為piRNA，”墨菲說。piRNA與秀麗隱桿線蟲中的其他跨代表觀遺傳途徑有關(guān)，在那里它們被認(rèn)為可以沉默基因表達(dá)并間接調(diào)節(jié)DNA包裝。研究人員發(fā)現(xiàn)，piRNA相關(guān)蛋白PRG-1雖然不是秀麗隱桿線蟲母親學(xué)習(xí)避免銅綠假單胞菌所必需的，但它是后代daf-7表達(dá)增加和遺傳性回避行為所必需的。piRNA和PRG-1是否主要在母體，子代或兩者中起作用以促進(jìn)回避行為的遺傳尚不清楚。作者表明，秀麗隱桿線蟲的母親實(shí)際上必須患上攝入銅綠假單胞菌，才能避免向后代傳播;暴露于病原體排放的氣味不足以引起回避。盡管如此，神經(jīng)元感覺通路對(duì)遺傳性避免很重要，因?yàn)槟赣H及其后代的避免行為與幾種神經(jīng)元相關(guān)基因的上調(diào)表達(dá)有關(guān)。其中，TGF-β的表達(dá)升高。母親的配體daf -7需要后代繼承病原體厭惡癥。Moore和她的同事們發(fā)現(xiàn)，某種類型的感覺神經(jīng)元ASI神經(jīng)元中daf-7的表達(dá)與遺傳性回避行為密切相關(guān)。

重要的是，daf-7的表達(dá)在后代的ASI神經(jīng)元中仍然升高了四代，然后在第五代中恢復(fù)到基礎(chǔ)水平，這是遺傳的回避行為也消失的時(shí)候。正如墨菲所指出的那樣，盡管避免行為的繼承提供了生存優(yōu)勢(shì)，但這種避免行為最終還是必須消失。那是因?yàn)殂~綠假單胞菌在高溫下只是致病性的;在較低溫度下，與其他假單胞菌物種一樣，食物越來越安全。如果致病威脅是暫時(shí)的，最終遺傳的遺傳避免使后代能夠重返營養(yǎng)性假單胞菌。