經(jīng)驗留下了遺傳物質(zhì)中的表觀遺傳痕跡
生物學(xué)中正在發(fā)生意識形態(tài)爭議。而這是一個關(guān)注一切的重大話題:遺傳。在他的劃時代的著作“1859年的物種起源”中,達(dá)爾文寫到了對于個體差異如何產(chǎn)生的統(tǒng)治無知。只有在20世紀(jì)40年代的“現(xiàn)代進(jìn)化綜合”中,人們才確信遺傳通過遺傳學(xué)發(fā)揮作用 - 換句話說,生物的特征通過其遺傳物質(zhì)DNA傳遞給下一代。
這種觀點有助于為隨后幾十年的研究提供重點,從而帶來非凡的發(fā)現(xiàn)。因此,現(xiàn)在可以解釋生物形式和功能的許多方面。但是在20世紀(jì)50年代,不同的觀察結(jié)果質(zhì)疑了對基因的看似排他性的控制。例如,玉米籽粒即使其DNA序列相同也可以具有不同的顏色。
植物記得干旱
進(jìn)一步的研究揭示了這樣一個事實,即當(dāng)具有相同遺傳物質(zhì)的個體具有不同的外觀時,這可以追溯到基因部分的不同程度的活動。DNA的特定部分是否有活性 - 即,是否被讀取 - 取決于DNA密集程度的決定性程度。
這種填充密度受幾種所謂的表觀遺傳機(jī)制的影響。它們形成了一種復(fù)雜的機(jī)器,可以將微小的化學(xué)附著物附著或分離到DNA上。在這里,規(guī)則適用于DNA越緊密,讀取就越困難 - 這意味著特定基因?qū)⒏硬换钴S。
生物可以通過控制它們的表觀遺傳機(jī)制來適應(yīng)不穩(wěn)定的環(huán)境。以這種方式,例如,表觀遺傳機(jī)制可以確保植物能夠更好地處理炎熱或干旱的氣候,如果它們在某些時候已經(jīng)不得不經(jīng)歷類似的情況。因此,從這個意義上說,遺傳物質(zhì)中的表觀遺傳標(biāo)記形成了植物的一種“壓力記憶”。今天這是生物學(xué)家們共識的問題。
懷疑世世代代的遺傳
然而,一些研究表明,受脅迫植物的后代也能更好地應(yīng)對其祖先已經(jīng)面臨的危險。“然而,這些研究是一個有爭議的爭論問題,”蘇黎世大學(xué)植物與微生物生物學(xué)系主任Ueli Grossniklaus說。像許多其他涉及破譯這些機(jī)制的表觀遺傳學(xué)家一樣,他認(rèn)為,“由于證據(jù)不完整,我們還不能說獲得的特征可以在幾代人的穩(wěn)定形式下傳播到什么程度。” 因此,表觀遺傳學(xué)是否真正為生物體帶來了持久的優(yōu)勢,從而在進(jìn)化中發(fā)揮作用仍有待證明。Grossniklaus認(rèn)為這是一個很有吸引力的想法,但它還有待證明。
不僅在植物中導(dǎo)致表觀遺傳標(biāo)記的遺傳引起了轟動 - 小鼠也是如此。例如,蘇黎世大學(xué)和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院神經(jīng)表觀遺傳學(xué)教授Isabelle Mansuy領(lǐng)導(dǎo)的研究小組為了研究嚴(yán)重的兒童創(chuàng)傷可能產(chǎn)生的長期影響,一直在將母鼠的后代從母親手中奪走每天三小時,就在出生后幾天。
雄性老鼠傳遞創(chuàng)傷
當(dāng)它們到達(dá)成年期時,經(jīng)歷困難嬰兒期的小鼠在其遺傳物質(zhì)中顯示出行為障礙和相應(yīng)的化學(xué)痕跡。例如,當(dāng)與總是被允許留在母親身處的對照小鼠相比時,受創(chuàng)傷的小鼠在籠子的明亮部分比在黑暗部分花費的時間要多得多。
這些老鼠的行為讓研究人員推斷出受創(chuàng)傷的動物表現(xiàn)出抑郁癥的癥狀,但同時也減少了恐懼。“他們似乎尋求危險,例如我們經(jīng)常在遭受創(chuàng)傷后壓力的美國退伍軍人中觀察到,”曼蘇說。
令人驚訝的是,Mansuy的研究團(tuán)隊在這些受創(chuàng)傷的雄性小鼠的后代中觀察到了相同的行為異常 - 即使年輕小鼠從未與未受創(chuàng)傷的母親分開。顯然,精子含有表觀遺傳信號,該信號也能夠?qū)ζ浜蟠幕蚧顒舆M(jìn)行編碼。
消除表觀遺傳記憶
這正是造成許多專家最大不安的原因。他們認(rèn)為遺傳物質(zhì)在精子成熟過程中經(jīng)歷了如此高程度的表觀遺傳重編程,然后在受精卵中進(jìn)行,這消除了在小鼠生命中獲得的大部分表觀遺傳標(biāo)記。
“我同意”,Mansuy說,“但也證明了一些標(biāo)記能夠在這種重新編程中存活下來。” 還有其他表觀遺傳機(jī)制。除了來自DNA的遺傳物質(zhì)外,精子還含有復(fù)雜的小RNA和微RNA分子集合,可以干預(yù)表觀遺傳機(jī)制,從而在基因活動的代際調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用。
Mansuy認(rèn)為,她的實驗以及其他人的實驗至少在原則上證明了表觀遺傳機(jī)制的存在。她還認(rèn)為表觀遺傳學(xué)可能部分解釋了為什么存在許多復(fù)雜疾病(如糖尿病,癌癥和精神疾病)的家族傾向,即使這些遺傳模式不能用經(jīng)典遺傳學(xué)來解釋。
與其他基因突變相比,突變發(fā)生的頻率大約是其頻率的一千倍,正如馬克斯普朗克發(fā)育生物學(xué)研究所的Detlef Weigel小組在2011年對30代擬南芥(Arabidopsis thaliana)的調(diào)查中所顯示的那樣。
此外,表觀突變從根本上是可逆的。也許這就是為什么我們的遺傳物質(zhì)中的表觀遺傳痕跡傳遞給下一代,有時也傳遞給后一代,但隨后通常會再次消失。正是這種暫時性和不確定性的特征培育了當(dāng)前的爭議 - 并且可能會繼續(xù)培育它們,直到生物學(xué)最終完全理解了遺傳的復(fù)雜表觀遺傳機(jī)制。
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