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人生这场戏,谁才是导演?


中学生物课上,我们都学过基因决定血型的原理(忘掉的小伙伴请去翻课本),你是否就此认为,基因与性状都是一一对应的关系?

也许你知道许多性状都是由多个基因共同决定的,但你是不是也觉得,只要一个人携带着容易导致肥胖、酗酒或痛风的基因,TA就一定会是个胖子、酒鬼或者痛风患者?


如果你认为我们的生命和结局都早已写在基因里,那后天的经历和环境还会产生影响吗?我们的基因组,是一锤定音的蓝图?还是能指导生活的脚本?


Lily 翻译的这一篇科普小文,就能给你解答上面的问题。你还能在文中看到蜂王养成记、会变性的Nemo,以及戒酒为什么这么难。

原文作者:Nessa Carey
原文标题: The Genome in Turmoil
原文链接:http://nautil.us/issue/2/uncertainty/the-genome-in-turmoil
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2009年,奥巴马总统在MIT的一次演讲中,用到了一个为人熟知的科学比喻:“我们一直在创新,我们一直在寻求发现。这写在我们的DNA里。”DNA包含着我们的遗传信息,经常被拿来隐喻人类的本质和本性。美国学者Evelyn Fox Keller在《The Century of the Gene》一书中说到:“至少在大众的想象中,基因组是生命的秘密,如同圣杯一样。基因是生命的建造者,是终极程序,是灵魂的回声。”然而在过去的几十年间,遗传学家们发现基因和性状的关系远没有那么简单

不是蓝图,而是脚本

说到DNA,人们普遍认为它们是机体的蓝图,在基因和性状(即“表型”)之间有着一一对应的关系,这是早期遗传学留给我们的认知。人们认为基因就像是串在绳子上的珠子,整齐地排列进染色体里,每一个基因决定着一个表型。然而,虽然某些基因确实直接对应着特定的性状,比如眼睛颜色或者血型,但大部分表型远比这复杂得多。许多表型不仅受多个基因的影响,而且也受生物体所处环境的影响。

事实上,遗传密码其实不是蓝图,而更像是电影脚本。脚本是可以被导演修改和重新解读的;在基因层面,这个过程就叫做表观遗传修饰。修改脚本的时候,你可能会划掉一些词句或者场景;同样的道理,表观遗传修饰可以激活或抑制一整段DNA。就像演员在舞台上会根据指令做出各式各样的表演,基因也可以被精细调控。(换句话说,表观修饰可以改掉祖传的基因给你预设的情节。)

这些调控基因的指令通过特殊的化学物质,被编码进我们的DNA和组蛋白里。最常见的表观遗传编辑形式是甲基化,表现形式是把甲基(—CH3)加到DNA或者组蛋白上。DNA的甲基化会引起基因的失活,而组蛋白的甲基化可能促进或抑制基因的表达,具体要取决于甲基化的类型和位置。

人生这场戏,谁才是导演?
蜂王和工蜂的基因是一样的,但蜂王的个头是工蜂的两倍;蜂王能繁殖,工蜂却不能;蜂王能活两年,工蜂只能活六个星期。谁能变成蜂王?多吃蜂王浆的会变成蜂王。被选中的蜜蜂在幼虫期会吃上六天的蜂王浆,而其他蜜蜂只能吃两天。所以蜂王和工蜂的区别其实只在于他们的饮食。(插图/Katie Scott)

涂改液与便利贴

这些修饰不会改变遗传密码本身,但会影响基因的表达。有一些基因修饰可能会持续人的一生,让一些基因永远处于失活状态,就好比用涂改液涂掉基因脚本上的一些场景。正因为DNA甲基化的存在,你才没有在牙上长只眼睛,或者在膝盖上长个肝脏。还有一种修饰更像是便利贴,影响着基因表达的程度,这种影响取决于环境条件,帮助人体针对环境变化做出快速反应。

人生这场戏,谁才是导演?

表观遗传学加剧了先天决定论与后天培养论的分歧。然而先天与后天的界限其实并没那么泾渭分明。比如在每个小丑鱼(如上图,就是Nemo那种鱼)种群里,都有一个“女上司”和几个“男下属”。如果“女上司”死亡,其中一名“男下属”会经表观修饰而产生激素变化,然后变成雌性,成为新的“女上司”。

与之相似,雌雄鳄鱼的差异也不是写在DNA里的。如果孵化温度保持在32-33摄氏度,就会孵出雄性鳄鱼;而当温度在30摄氏度及以下,就会孵出雌性。这也是表观修饰在起作用。

科学家还发现处于相同环境且基因相同的大鼠会出现明显的体重差异,或者同卵双胞胎中的一个会出现精神分裂而另一个完全健康,这些现象的发生都是因为表观修饰的存在。压力、饮食、环境毒素等都是能触发表观修饰的常见因素,只不过科学家对其完整过程还不够了解。

人生这场戏,谁才是导演?
水蚤是一种体型不到蚊子三分之一的甲壳纲生物,它们是自造堡垒方面的专家。每当遇到危险,比如有鲤鱼、黄鲈鱼等天敌逼近,水蚤会在表皮上长出尾椎、头盔或者颈牙,就像长出一层外壳。经过这一次武装,水蚤看上去变大了,小一点的天敌也很难吃掉它们了。如果环境一直不太安全,水蚤一代长出的武装可以传递给第二代、第三代……而一旦天敌消失,水蚤N代又会收起武装,节省自身资源。(插图/Katie Scott)

所有的生物体其实都在经历两个版本的历史故事:一个是由祖先在数万年间遗传下来的进化历史,一个是生物体在自己生命周期里完成的个人历史。表观遗传学是这两个版本之间的桥梁,会帮助人们根据现实需要,来调整遗传下来的特征。遗传哲学家Paul Griffiths和Karola Stolz建议我们不要把基因看成不能修改的信息,基因其实是基因组可以处理和操纵的元素。

就拿喝酒来说,刚开始喝酒的人很容易喝醉,但如果你经常饮酒,你对酒精的耐受度可能会增加。养成持续饮酒的习惯以后,控制酒精代谢的基因会受到调控,这些基因的表达程度会被提高,以便肝脏可以更快代谢酒精。而一旦你开始降低饮酒量,那些基因的表达又会受到抑制,因为合成多余的代谢酶会浪费身体的资源。表观修饰可能也与嗜酒有关:人们长期饮酒的时候,会促进某个基因的表达,导致神经肽Y的水平提高,而这种神经肽会降低焦虑。但如果饮酒量开始下降,那个基因的表达会被关闭,神经肽Y水平随之下降,就会导致焦虑的产生。(原来“借酒浇愁”是有科学道理的,终于知道为什么戒酒那么难…)

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云兰属植物可以开出几种不同的花。两株基因相同的植株可以长出性状不同的花瓣,取决于控制花瓣对称性的LCYC基因是否失活。如果LCYC基因启动表达,花瓣会卷曲缠绕在雄蕊上,心皮也会柔软得像舌头一样。当LCYC发生甲基化而失活,花瓣就会变得像飞镖一样挺立。(插图/Katie Scott)

随着科学家对表观遗传学的了解进一步加深,新的医疗手段也逐渐被开发出来。研究发现,有些慢性疾病在基因方面找不到明确根源,可能是因为有些基因因为表观修饰而被锁定在异常的表达形态里。比如,伏立诺他是一种治疗皮肤T细胞淋巴瘤的药物,这种药物会改变表观修饰,通过抑制一些酶的作用而使得组蛋白乙酰化,进而启动某些抑癌基因。阿扎胞苷是一种治疗骨髓增生异常综合症的药物,和伏立诺他的作用类似,通过抑制DNA甲基化来启动抑癌基因。

对脚本的修改也能遗传?

但是表观遗传学背后的许多机制仍然与我们的认知不符,表观修饰的可遗传性就是其一。科学家在荷兰发现了一个奇怪的现象。1944年开始,占领荷兰的德军封锁了北部和西部区域,食物变得非常紧缺,荷兰境内出现饥荒。战后,科学家发现饥荒期间出生的孩子,患上肥胖、心血管疾病风险明显增高,而饥荒之前和之后出生的孩子都没有这种现象。饥荒中出生的孩子长大后,他们的后代却跟他们一样,肥胖、患心血管疾病的风险也比一般人要高,而这些第二代孩子并没有经历过饥荒,哪怕在娘胎里也没挨过饿。在1968-1970年的尼日利亚比夫拉饥荒、1958-1961的中国饥荒里,也出现了类似的现象。最恰当的解释可能是,饥荒期间导致的表观遗传改变,经由父母传给了后代

表观遗传修饰为什么会传给后代?这个传递是如何实现的?这些都是未解之谜。在形成卵子或者精子的过程中,大部分的表观遗传信息都会被我们体内的酶抹去。卵子和精子保留下来的表观修饰痕迹只够维持这些细胞的正常功能而已。当卵子与精子融合成为受精卵,又一波酶会抹掉卵子和精子的表观修饰痕迹,在这个阶段,虽然仍存在调控细胞表达的修饰信息,但也只是和胎儿早期发育过程有关。根据科学家们在饥荒幸存者后代基因组内发现的信息,父母传给后代的表观修饰信息肯定还是存留在后代体内的,只是我们不知道这些信息是什么,它们又保存在哪里。

人生这场戏,谁才是导演?
基因相同的实验用大鼠可能有棕色、黄色或者斑点几种不同体征,具体取决于一种Agouti基因的表达情况。如果这种基因只在大鼠毛囊部位被启动表达,那大鼠就是棕色的;如果在大鼠全身每个细胞都被启动表达,那大鼠就是黄色的。同时这种基因还会影响大鼠的食欲,黄色大鼠更容易患上肥胖症、糖尿病和癌症。如果黄色大鼠在怀孕前两周到幼崽断奶期间,都摄入叶酸、胆碱、维生素B12等富含甲基的补充剂,Agouti基因就会受到甲基化调控,就会有更多的幼崽变成棕色大鼠,体型更瘦,也不容易患上糖尿病和癌症。(插图/Katie Scott)

后天经历会传递给下一代的说法,其实不是什么新鲜事儿。希腊名医希波克拉底描述过一种半神化的人种——巨头人,他们会人为改变新生儿柔软颅骨的形状,于是渐渐整个族群都有了很长的脑袋。19世纪初期,法国博物学家拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)认为机体后天获得的特征可以遗传给后代,尽管他的观点受到达尔文支持者的抨击。即使到了20世纪,许多支持表观遗传修饰的证据开始浮现,很多生物学家还是很抵触这个概念。

一方面来说,在任何科学领域,每当新观点挑战传统理论,都会出现抵触情绪。但对表观遗传的抵触可能还与我们的文化意识有关。表观遗传学否定了关于基因的传统观点,认为人类并不存在稳定不变的本质和本性,我们可能再也没法说“这写在我们的DNA里”了。
(译文完)
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DNA不是一成不变的蓝图,而是可以编辑修改的脚本。

出生前的温度能决定鳄鱼的性别,幼虫期的饮食能决定蜜蜂的地位,而鳄鱼和蜜蜂本身并没有办法做出选择。作为人类,虽然我们的特征也受到环境的影响,但我们仍然可以主动做出选择和改变。压力、饮食、作息、生活习惯和经历都会影响表观遗传的结果,这些都是我们可以选择的道具。不管脚本怎样,你仍然有机会改写结局。

说到底,你才是自己人生的导演。

人生如戏
记得带上你的脚本



 人生这场戏,谁才是导演?
微基因
-《肉体研究所》-
严肃地聊聊肉体这件小事

编辑 by Lily
人生这场戏,谁才是导演?

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