Nature：爭議中前行的表觀遺傳學

孫學軍

Virginia Hughes.Epigenetics: The sins of the father. Nature, 06 March 2014; doi:10.1038/507022a

Brian Dias 去年 10 月晉陞為父親，和許多新父母一樣，孩子出生前他就開始考慮要承擔各種責任。但 Dias 考慮的問題更多，他已經考慮自己的父母或祖父母是否也會對孩子產生影響。

祖先生活環境，受教育程度，都可能通過遺傳對後代產生影響。是否祖先的生活習慣或遭遇，例如吸煙、饑荒或戰爭經歷也會對後代的健康產生影響？

Dias 是艾默理大學（Emory University）克里萊斯勒實驗室的博士後。在兒子出生前 2 年，他的研究就是和上述問題有關的。他觀察暴露在惡劣氣味環境動物後代大腦產生的影響。乙醯苯是一種有甜杏仁味的化合物， Dias 將雄性小鼠暴露在乙醯苯環境下，然後對他們每天 5 次中度電足刺激，連續 3 天。這些動物會對這些刺激恐懼，一旦有乙醯苯味道就會僵住。

10 天后， Dias 讓這些動物和正常雌性小鼠動物交配。這些動物後代成年後，大部分對乙醯苯敏感，當暴露在這種氣味下，有意外聲音就會驚慌失措。動物的下一代（孫輩）仍會對乙醯苯敏感。研究發現，三代動物 M71 腎小球結構增大，其中乙醯苯敏感神經元增加。最近這一研究發表在《自然-神經科學》雜誌上， Dias 等認為，環境信息可通過表觀遺傳機制傳遞給後代。

表觀遺傳學是在DNA鹼基序列不變前提下引起基因表達或細胞表型變化的一種遺傳。生物學家最早是在植物中發現表觀遺傳現象。開始發現西紅柿存在表觀遺傳現象，隨後證明在動物和人類也普遍存在這種現象。表觀遺傳學仍存在爭議，尤其是會讓人回想起來19世紀法國博物學家拉馬克的失敗理論。他提出，生物能將獲得性狀遺傳給後代。麻省大學醫學院分子生物學家Oliver Rando，研究證明了動物的表觀遺傳現象，對許多現代生物學家來說，表觀遺傳聽起來很嚇人。如果確實如此，這麼多優秀的遺傳學家過去數百年為什麼沒有發現？

對錶觀遺傳現象質疑的一個主要原因是，表觀遺傳的詳細分子機制不是非常清楚。深入理解這個現象必須弄清楚，相關信息如何在精子和卵子內形成並在受精過程中傳遞給下一代。媽媽會把懷孕期間的環境因素傳遞給胎兒。但父親的表觀遺傳信息如何傳遞？科學家開始分析精子如何獲得表觀遺傳信息標記。雖然這方面最近幾年已經獲得許多資料，但對具體發生過程仍不了解。

「怪物」植物和肥胖兒童

表觀遺傳學革命爆發於 21 世紀初，有科學家報告稱，一切環境因素都可能會通過基因的開放和關閉影響到後代。

1740 年瑞典植物學家林奈（Carl Linnaeus）率先發現這方面的線索。他得到一株看起來很象柳穿魚植物，但花非常不同。林奈非常吃驚，因為這是對他的理論嚴峻挑戰，他提出植物能根據結構和花來分類。他表示：「這比母牛生出了帶有狼頭的小牛更令人難以置信。」並用希臘單詞「怪物 monster」給這個植物命名為 Peloria。

上世紀 90 年代，英國植物學家 Enrico Coen 發現這種植物 Lcyc 基因中核酸甲基化導致基因完全關閉，擾亂了花的外觀。他們還證明這種甲基化能通過種子遺傳給後代。這是表觀遺傳學的奠基性研究。

最近一些年，歐洲流行病學調查顯示出人類的表觀遺傳學現象，才引起公眾關注。最著名的一個研究來自瑞典，根據歷史記錄，研究發現，在青春期前曾遭遇饑荒的男性，比那些富裕家庭的男性，孫子輩發生心臟病和糖尿病的幾率明顯降低。所謂爺爺幼年挨餓，孫子不容易糖尿病。2005年英國的類似研究發現，父親11歲以前吸煙，兒子容易超重。

但是，許多科學保持謹慎態度。表觀遺傳學研究也表現差強人意，也難以把獨立因素從眾多影響因素中分離。動物實驗結果支持表觀遺傳現象，並逐漸把目光關注到精子在傳遞表觀遺傳信息方面的重要地位。

精子中的印記

雄性大鼠父親高脂飲食，可從其女兒胰腺組織的DNA上發現異常甲基化。雄性大鼠父親低蛋白飲食（最近就有人發現低蛋白飲食可以長壽），其後代肝臟膽固醇基因表達發生改變。而糖尿病前期小鼠的精子細胞DNA存在異常甲基化，後代發生糖尿病的危險性增加。

動物實驗發現也引起了劇烈爭論。最大的爭議來自華盛頓州立大學Michael Skinner實驗室，他們將懷孕大鼠暴露在高劑量農藥後，這些動物子代成年後出現器官損傷，而雄性子代的精子異常DNA甲基化至少可以持續4代。

但是另外2個實驗室沒有重複出這一研究。2010年，調查發現Skinner的一個博士後在一篇文章中存在偽造的研究數據，這一文章已經被作者撤回。Skinner認為有其他實驗室已經重複出他們的研究，而沒有重複出的實驗室是因為研究方法不同。去年他們的小組再次重複出那篇被撤回的論文結果。

甲基化機制

表觀遺傳學研究存在的主要問題是大部分研究只描述了表觀現象，例如葡萄糖、膽固醇和生育能力等，但這些表現受到的影響因素非常多而複雜，導致因果關係很難被區分（許多藥物效果研究也存在類似尷尬）。

Dias 等用乙醯苯的研究克服了過去研究的缺陷，因為這種化合物能結合鼻內特定嗅覺受體，這種受體是特定基因Olfr151編碼的蛋白。但 Dias 和Ressler沒有聲稱自己全面理解所有過程，但他們有一個工作假說。他們認為，惡劣的氣味進入小鼠鼻子後，引起動物精子Olfr151基因發生低度甲基化。他們採用體外受精方法排除動物將乙醯苯的恐懼在交配時傳播給母鼠（告訴她？）。這樣的後代鼠在鼻內仍出現受體基因表達增加，說明只能是通過精子傳遞。

發育遺傳學家William Kelly認為證據鏈仍不夠緊湊。無法明確本質道理，關鍵是沒有全面了解前後代信息傳遞的具體方式。首先不知道環境信息如何被精子細胞基因標記。精子確實可表達嗅覺受體，也許Olfr151受體能感受到血液中的氣味，然後就導致甲基化（如果直接局部少量注射或塗抹會怎麼樣？）。另外，也許不是通過DNA甲基化,而是通過小RNA進行信息傳遞。當動物暴露在味道和疼痛後，動物大腦內可能產生某種RNA，這些RNA分子進入血液，然後選擇性作用在精子Olfr151基因上（為什麼是RNA，不是其他分子）。許多植物研究暗示這種系統RNA（小RNA干擾？）十分重要。例如植物葉子上的RNA能通過導管進入其他組織影響基因表達。

但是在精子上產生表觀遺傳標記只是故事的一步。將這種標記進行多代傳遞還需要多種信息的傳遞和嚴格的表觀信息編碼（資訊理論？）。在哺乳動物，這個過程只發生在受精開始的幾個小時內，因為在單細胞胚芽階段，大部分精子內甲基化會被剝離。然後隨著胚胎髮育和分裂，細胞開始分化為不同的細胞類型，甲基化才逐漸重建（這個過程中，精子的甲基化如何被記憶？）。在這個過程後，即使來自父親的一些信息可以保留下來，其後代的原生殖細胞，最後發育成精子和卵子，在受精過程中還要遭受一次表觀遺傳的清洗。印記基因能部分解釋這個疑惑,有些基因專門負責在受精過程逃避被重新編程。例如有一類印記基因，這些基因中即使來自父母的一個拷貝被甲基化，能保持沉沒，這些已經沉默的標記可以在精子和卵子階段突然出現，並在胚胎中保留下來。大約有100個基因屬於印記基因，但一些非印記基因也能用類似的技術逃避被清洗。看來印記基因只是複雜現象中的一個方面，這個領域仍有許多問題等待解決。

退一步說，就算Olfr151表觀遺傳成功，但後代行為學如何被傳遞仍不會是一個基因擔當。 Dias 等研究發現，這些被乙醯苯處理的動物86%的精子確實存在Olfr151基因甲基化，雖然其他味道處理動物則高達95%。但奇怪的是被乙醯苯處理的動物後代出現乙醯苯敏感的幾率比其他味道高達50%。

其他途徑

也許這種所謂甲基化只是複雜現象僅僅是伴隨現象。另一種可能是組蛋白途徑，組蛋白是包繞在DNA周圍的蛋白質。組蛋白的甲基化和乙醯化會影響DNA的表達。在精子形成過程中，的大部分DNA周圍組蛋白會剝離，更換為具有更強結合能力的魚精蛋白。大約10%的人類組蛋白和1%的小鼠組蛋白能在精子DNA上保留下來。這些位點可能攜帶遺傳信息，通過精子傳遞給後代。2011年，有學者發現線蟲的某些和長壽有關的組蛋白標記能多代傳遞。2013年12月，Kimmins等研究發現，給雄小鼠低葉酸飲食，（葉酸和甲基化有密切關係）可導致後代精子組蛋白甲基化明顯減少，生育率下降。

也有研究指出小RNA也能影響DNA的功能，影響基因表達。2012年的一項研究發現，吸煙和不吸煙男性精子中有28個microRNA存在差異。RNA模式也能在多代保留。去年Lane小組發現，肥胖小鼠精子有11個異常microRNA，通過這些microRNA可以將胰島素抵抗傳遞給後代。甚至有更離奇的解釋，或者是朊病毒負責表觀遺傳的傳遞，朊病毒就是瘋牛病的病因蛋白，是能傳染的自身異常摺疊蛋白，這種能傳染也就是說可以傳遞信息或遺傳的功能蛋白，或許就是表觀遺傳的載體。也許有其他我們了解的表觀遺傳載體，如最近有學者發現，缺乏精囊小鼠的子代容易發生肥胖和代謝性疾病。這提示精液中可能存在有影響精子基因表達和母親生殖系統的未知成分。

有學者預測，如果DNA甲基化、組蛋白和RNA確實就是問題的本質，該領域有望最近取得很快進展。但如果這些因素並不是本質，則需要再等數十年才可以。

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