表觀遺傳學提示許多性狀可以繞開基因遺傳給下一代。
由於後天行為不會改變DNA序列，因此在相當長一段時間裡，科學界普遍認為後天行為對個體造成的影響不會遺傳給後代。然而近些年來的一些研究不斷揭示出不健康的習慣，例如不良飲食不僅給自己帶來疾病，連自己的後代也可能會受到牽連。科學上把這種現象稱作“表觀遺傳”，是一種與DNA序列本身改變無關的遺傳作用。
撰文 | 楊心舟
19世紀50年代，達爾文提出了經典的進化論用以描述自然選擇現象。遺傳學和分子生物學經歷一個世紀的發展，在當時開啟了生物演化理論的新紀元。理論認為DNA序列會隨機發生突變，攜帶能適應環境的特異性序列的個體才能繁殖存活。但是越來越多的研究發現，相對於新表型出現的速率，DNA發生隨機突變率還是太低了，兩者並不匹配。
上世紀中期，英國發育生物學家Conrad Waddington在實驗中發現，給予果蠅外界化學刺激或溫度改變，會導致後代產生不同的翅膀類型。他首次提出了“表觀遺傳學”的概念，即不完全由DNA序列控制遺傳效應的現象。經過數十年的發展，科學家發現最主要的表觀遺傳途徑包括基因甲基化或者組蛋白修飾。任何外界環境造成的影響，都可能永久地被個體遺傳信息記錄下來，並以表觀遺傳的形式傳遞給自己的後代。
表觀遺傳學提出者Conrad Waddington
吸菸對後代影響頗深
2015年首次有基於實際人群的研究表示，吸菸會對後代造成影響。在當年的歐洲呼吸學會國際會議上，有學者提出祖母輩在懷孕期間吸菸，與孫輩哮喘發病有相當大的聯繫。哮喘發病率持續50年都保持上漲，學界一直認為環境的改變是最主要的原因，因此在之前所有的研究都沒有對個體在時間上展開縱向研究。
科學界對吸菸會影響基因功能這一觀點都保持贊同，在當時已經有學者開始考慮這種影響是否會傳遞給人類的後代。他們收集了來自上世紀80年代44853例祖母輩的數據。與孫輩哮喘病例數據進行交叉比較後發現，如果祖母這一代在孕期有吸菸的行為，即使母親這一代沒有抽菸，孫輩患哮喘的幾率也會提升10%-22%。
這項研究的主要作者Caroline Lodge表示：“老一輩人的抽菸行為會直接影響自己後幾代個體哮喘的發病。此外，也不排除這種影響會提升其他疾病的發生率。”
吸菸造成的影響可能遺傳三代。圖片來源：pixabay
不想Lodge一語成讖，去年發表於 《科學報告》的一篇文章同樣提出了類似觀點，來自布里斯托大學的科學家進行了一項包含14500名志願者的調查分析，發現如果祖母在孕期有過吸菸的行為，則在孫女中更容易出現社交障礙的症狀，例如自閉症的幾率會提高53%。
母系影響如此之深，父親吸菸就能躲在避風港了嗎？就在本週發表於《美國公共科學圖書館·生物學》上的一篇文章提出，父系長期攝入尼古丁類物質將給自己的子代甚至孫輩帶來認知缺陷。研究團隊來自於佛羅里達州立大學的Pradeep Bhide實驗室。文章表示這種影響並不是因為兒童吸收了父親的“二手菸”，而是父親的尼古丁攝入導致自己精子某些關鍵基因的表觀遺傳發生了改變。
Bhide談到：“通常健康科學界都比較關注母親一方的尼古丁或者香菸成分攝入對後代的影響，並把其列為後代出現行為失常、注意缺陷多動障礙（ADHD）的重要風險因素。” 父親一方的影響在風險因素中一直被淡化，當然部分也出於科學技術的侷限性。目前想要從環境影響因素中單獨將基因影響提出來討論還很困難，比如吸菸的親代中何種基因傾向會讓後代患上ADHD，或者吸菸會導致哪些特定基因改變，還很難給出答案。
服用尼古丁小鼠的後代出現特殊基因表觀遺傳修飾的免疫熒光標記。圖片來源文獻。
為了克服這一困難，Bhide和實驗團隊給性成熟剛生產精子的雄鼠餵食含有低量尼古丁的水，之後和正常雌鼠放置在一起。儘管雄性小鼠本身並沒有表現異常，但是其後代無論性別都會表現出極度活躍、注意力缺陷以及認知僵化等症狀。雄性親本精子的分析結果顯示，許多基因的啟動子區域都出現了表觀遺傳修飾，包括對腦發育和認知起重要作用的多巴胺D2基因。這表明這些基因修飾對後代造成了潛在的認知缺陷。
Bhide表示：“吸菸人群中男性是女性的兩倍，我們的發現提示，為了後代的健康也應該關注父親吸菸會造成何種影響。”
高脂飲食讓後代也會肥胖
雌性高脂飲食小鼠後代也會受到肥胖症的影響，除此之外還伴有胰島素抵抗和成癮行為。本月《轉化精神病學》的一項研究報道表示，這種現象甚至可發生在第三代小鼠身上。
瑞士蘇黎世理工學院的研究人員發現，對祖母代小鼠進行高脂飲食培育後，第二代雌性小鼠在懷孕之後的新陳代謝效率會有極大改變，伴隨肥胖症的一些特徵。同時小鼠還會表現出一些成癮行為，例如喜歡攝入特殊藥物。在第三代小鼠中，研究人員觀察到，即使提供的是正常的飲食結構，雌性小鼠仍然會表現出肥胖症狀和成癮行為，雄性則沒有。
文章相關作者Daria Peleg-Raibstein博士表示：“大多數針對肥胖和糖尿病的長期影響研究都侷限於第二代，我們將目光投向了第三代個體。研究發現只要祖母代飲食攝入過多，在第三代子代中也會出現肥胖症。”這項研究並沒有揭示具體的分子機制，Peleg-Raibstein目前正在繼續進行深入探究。
高脂飲食F2、F3後代（HFD組）表現出對酒精和興奮劑依賴性。圖片來源文獻。
運動對後代有利
壞習慣會影響後代，那好習慣呢？今年來自德國神經退行疾病研究中心的團隊指出，身體或者腦力訓練除了對自己有好處，同樣會給後代的認知能力帶去有益影響。文章於4月發表於《細胞報告》上，André Fischer教授表示，目前醫學界都認為經常鍛鍊對於預防阿爾茲海默症有著顯著作用，但是實驗中發現這種影響可能還會繼承給後代。
運動的益處也會遺傳給後代。圖片來源：pixabay
Fischer團隊通過特殊條件構建了一組小鼠模型，這些小鼠被置於刺激環境下，因此運動量要比對照小鼠高很多。通過對兩組小鼠的後代分析發現，運動量大的小鼠後代學習能力明顯要更強。腦部結構剖析顯示，這些後代海馬體的突觸可塑性得到了增強。海馬體對於認知學習行為有重要作用，同時突觸可塑性也能展示出神經細胞的交流程度，這些都是個體學習能力的細胞基礎。
隨後，研究團隊將雄性運動小鼠精子中的RNA提取出來，並注射進了受精卵。如此新生出的小鼠同樣表現出更佳的突觸可塑性以及學習能力。分析發現其中起著關鍵性作用的是一種被稱作微小RNA（MicroRNA）的分子，其可以顯著影響基因的表達。在提升認知行為中miRNA212以及miRNA132起到了部分作用。“這是第一次，將表觀遺傳學和特定的miRNA聯繫起來。”Fisher表示。
更多因素
除開主動參與行為，被動接受造成的影響同樣也會被遺傳。2018年內分泌學會100週年大會上，伊利諾斯大學厄巴納香檳分校的Radwa Barakat博士對最新研究發表了演講，研究指出在被動暴露於廣譜增塑劑DEHP環境下的小鼠，其生產的後代也明顯表現出生育能力低下症狀。DEHP是PVC製品中必須添加的試劑，涉及產品包括許多塑料管道、醫療用品和玩具等等。
而社會行為中，哈佛大學Andrea Roberts研究團隊對數十名少年時期遭受過虐待的個體進行分析，發現他們成年後，精子DNA中出現了12處集中甲基化。而在小鼠模型中數個相對應位點甲基化會造成後代出現焦慮症類似的症狀。隨著越來越多證據表明，環境作用可以直接繞開基因，作用於個體表型。我們在進行行為選擇時，是否也開始需要思考：這樣做會不會對後代也有影響？或許答案要在幾十年後才能揭曉，但選擇權還是在你手中。
參考鏈接：
[1]RNA-Dependent Intergenerational Inheritance of Enhanced Synaptic Plasticity after Environmental Enrichment. http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2018.03.059
[2]Transgenerational transmission of hedonic behaviors and metabolic phenotypes induced by maternal overnutrition. http://dx.doi.org/10.1038/s41398-018-0243-2
[3]Nicotine exposure of male mice produces behavioral impairment in multiple generations of descendants. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.2006497
[4]Grand-maternal smoking in pregnancy and grandchild’s autistic traits and diagnosed autism. http://dx.doi.org/10.1038/srep46179
[5]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-03/tes-pet031418.php
[6]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-09/elf-gsh092515.php
[7]https://www.independent.co.uk/news/health/child-abuse-dna-trauma-genetics-molecular-scars-sperm-harvard-university-a8563906.html
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