近年来,有证据表明,我们的饮食、习惯或创伤经历会对我们的孩子——甚至是我们的孙辈——的健康产生影响。对这种情况如何发生以及获得最多资金的解释是所谓的“表观遗传学”——我们DNA上或周围的化学“标记”模式被认为是遗传下来的。但剑桥大学的一项新研究表明,这种非遗传的遗传机制可能非常罕见。
然而,同样来自剑桥的第二项研究表明,传播环境影响的一种方式实际上可能是在父亲的精子中发现的称为RNA的DNA产生的分子。我们从父母那里继承自然特征的机制很清楚:我们从母亲那里继承一半基因,从父亲那里继承一半基因。但是,不知道父母环境和行为的“记忆”可能传递给后代的机制。
表观遗传学已被证明是一个令人信服和流行的解释。人类基因组由DNA组成——我们的基因蓝图。但是我们的基因组已经被许多“表观基因组”所补充,这些表观基因组随着细胞类型和发育时间而变化。表观遗传标记与我们的DNA相关联,并部分决定基因是否开启,从而影响基因的功能。最容易理解的表观遗传修饰是DNA甲基化,它将甲基基团置于DNA的一个碱基上(A、C、G或T,它们构成了我们的遗传密码)。DNA甲基化与表观遗传学相关的一个模型是一种叫做Agouti valve Yellow的小鼠突变体。这种老鼠的毛色可以是全黄的,也可以是全棕的,或者是这两种颜色的图案——不过虽然它们的毛色不同,但基因是一样的。
这种情况的解释取决于表观遗传学。毛色的一个关键基因旁边是一个被称为“转座因子”的遗传密码——一个小的移动DNA盒子’,它实际上在小鼠基因组中重复多次,但它在这里具有调节毛色的功能。基因。由于许多这些转座因子来自外部来源,例如,来自病毒的基因组,它们可能对宿主的DNA造成危险。但是生物体已经进化出一种通过甲基化来控制它们运动的方式,甲基化通常是一种沉默的表观遗传标记。
在包被基因的情况下,如果甲基化完全关闭了转座因子,小鼠就会变成棕色;如果甲基化的获得完全失败,小鼠将是黄色的。但这并不影响遗传密码本身,只影响DNA片段的表观遗传景观。
然而,黄色皮毛的雌性更有可能生出黄色皮毛的后代,棕色皮毛的雌性更有可能生出棕色皮毛的后代。换句话说,转座因子的表观遗传调控行为是以某种方式由父母遗传给后代的。剑桥大学遗传学系的安妮弗格森-史密斯教授领导的研究小组开始更详细地研究这一现象,询问在其他地方是否存在类似的可变甲基化转座因子可能会影响小鼠的特征,以及这些甲基化“记忆”是否存在一种模式,可以代代相传。他们的研究成果发表在《细胞》杂志上。
研究人员发现,虽然这些转座因子在整个基因组中都很常见——转座因子约占小鼠总基因组的40%——但它们中的大多数都因甲基化而完全沉默,因此对基因没有影响。这些序列中只有大约1%是可变甲基化的。其中一些可以调节附近的基因,而另一些可以调节位于基因组更远处的基因,具有远程能力。当研究小组研究这些区域的甲基化模式在多大程度上可以遗传给后代时,他们详细研究的六个区域中只有一个显示出表观遗传学的证据——即使这样,影响也很小。此外,只有母亲的甲基化模式被传递,而不是父亲。
“人们可能会认为,我们发现的所有可变甲基化元素都会显示父母表观遗传状态的记忆,正如Agouti可存活黄色小鼠的毛色所观察到的那样,”该研究的第一作者之一Tessa Bertozzi博士说关于我们的表观遗传信息传递给后代的程度,有很多令人兴奋和炒作的事情,但我们的工作表明,这并不像以前认为的那样普遍。“事实上,我们发现这些转座因子的甲基化标记代代相传都被重新编程,”弗格森-史密斯教授补充道从绝大多数基因组来看,存在去甲基化和受精卵植入子宫。之前产生了卵子和精子,过程又放回去了。一旦一个机构如何重建后,我们有一个区域甲基化模式,在这种全基因组擦除仍然有些神秘,这是确定的。
“我们知道有些基因——比如印记基因——在早期胚胎中不会以这种方式重新编程。但这些都是例外,不是规则。”
弗格森-史密斯教授说,有证据表明,环境诱发的一些信息可以通过某种方式传递下来。例如,她对老鼠的研究表明,怀孕期间营养不良的母亲的后代患二型糖尿病和肥胖症的风险增加,他们的后代将继续肥胖和患有糖尿病。第三,她证明了DNA甲基化不是罪魁祸首——那么这是怎么发生的呢?答案可能来自英国惠康/癌症研究所Gurdon Institute的研究,该研究所还与苏黎世大学Isabelle Mansuy教授和剑桥大学瑞士联邦理工学院的实验室合作。在一项对小鼠进行的研究中,他们报告了早期生活创伤的“记忆”是如何通过精子携带的RNA分子传递给下一代的,该研究发表在《分子精神病学》杂志上。
Gurdon Institute和Mansuy Laboratory的Katharina Gapp博士此前已经证明,产后创伤不仅会增加直接暴露个体的行为和代谢障碍风险,还会增加其后代患者的风险。现在,燕
究小组已经证明创伤可以导致父亲精子中“长链RNA”(含有超过200个核苷酸的RNA分子)的改变,这些都会导致代际效应。这补充了早期的研究,发现精子中“短RNA”分子(少于200个核苷酸)的变化。RNA是一种具有多种功能的分子,包括一些称为信使RNA的长版本,将DNA代码“翻译”成功能蛋白并调节细胞内的功能。通过一系列行为测试,研究小组发现长RNA介导的对后代产生的特定影响包括冒险,增加胰岛素敏感性和暴饮暴食,而小RNA则传达了绝望的抑郁样行为。Gapp博士说:“虽然其他研究小组最近表明小RNA有助于遗传慢性压力或营养变化的影响,但我们的研究表明,长RNA也可能有助于传递早期生命创伤的一些影响。为这一难题添加了另一篇文章,以便在世代相传的情况下进行潜在的干预措施。“