獲得性遺傳的表觀遺傳學機制

張夢珂 張國文

摘要隨著表觀遺傳學的興起，獲得性遺傳研究開始復興，現已發現大量獲得性遺傳現象，但獲得性遺傳作為一種進化機制仍沒有得到廣泛認同，其原因在于獲得性（表型）遺傳如何固化為基因型的研究沒有取得進展。通過綜合分析表觀遺傳學所揭示的獲得性遺傳事實，提出一種獲得性遺傳的表觀遺傳學機制，給出獲得性（表型）轉化為基因型的可能路徑。

關鍵詞獲得性遺傳；表觀遺傳學；基因調控；遺傳機制

中圖分類號S181.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）14-04187-02

The Epigenetics Mechanisms of Inheritance of Acquired Characteristics

ZHANG Mengke et al（Chutian College of Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430205）

AbstractWith the rise of epigenetics， acquired genetic research began to revive， it has been found a lot of acquired genetic events， but the inheritance of acquired characteristics as an evolutionary mechanism is still not widely accepted， because the study， which acquired genetic is recorded as the genetic information， did not progress. Here， a new mechanism of inheritance of acquired characteristics was proposed， and a roadmap for genotype phenotype transformation was put forward.

Key wordsInheritance of acquired characteristics； Epigenetics； Gene regulation； Genetic mechanism

由法國進化論學者拉馬克（Lamarek J B）于19世紀歸納提出的獲得性遺傳理論[1]一直沒有得到普遍認同，主要原因在于獲得性遺傳無法逾越魏斯曼（Weismann A）的種質連續說和克拉克（Crick F H C）提出的中心法則。近年來，隨著表觀遺傳學的興起，雖然發現了大量獲得性遺傳的事實[2-3]，但如何將獲得性（表型）固化為穩定的基因型，也沒有取得任何突破。通過綜合分析表觀遺傳學的最新研究成果，筆者提出一種基于表觀遺傳學的獲得性遺傳機制，明確了表型轉化為基因型的路徑。這也與種質連續說和中心法則相恰合。

1獲得性遺傳的表觀遺傳學機制

1.1獲得性狀，并形成信息生物受環境的影響會發生一些性狀改變或獲得新性狀[2-3]。這些獲得性只是表型發生變化，而非基因型變化。但是，這些性狀（表型）可以通過一定方式如DNA甲基化、組蛋白修飾等形式記錄下來，并在以后的生命活動中影響基因的表達[3-4]。Colney[5]在研究一種名為柳穿魚的野生植物時，發現其正常植株呈兩側對稱狀的花突變為呈輻射對稱狀的突變體，是由1個叫Lcyc的基因被甲基化修飾所導致的；同時，大量研究表明，人類的許多疾病與某些特定的組蛋白修飾也有對應關系[6]。雖然目前還不能完全理解這些修飾是如何導致生物性狀改變的，但這至少說明生物的獲得性能夠以DNA甲基化或組蛋白修飾等形式記錄下來。當然，表觀遺傳修飾過程是相當復雜的。許多修飾存在著依賴關系和協同作用，例如組蛋白修飾既可指導DNA甲基化[7]，反之，DNA甲基化又可影響組蛋白修飾[8]。此外，染色質重塑、小RNA調節等均可導致性狀變化[9]。所以，一種獲得性（表型）的記錄可能是多種表觀修飾共同作用的結果。

1.2獲得性狀的遺傳人們在對線蟲、植物、小鼠、豬和人類等的研究中發現，表觀修飾所致后天獲得性均可遺傳給后代[10-12]。蔣嵐等[13]的研究為表觀修飾的遺傳提供直接證據。他們在斑馬魚受精卵的發育過程中發現，除了DNA可以從親代傳遞到子代外，精子的DNA甲基化圖譜也可以遺傳給子代，并且用于指導胚胎早期發育。

1.3表型轉化為基因型如果經過若干次的表觀遺傳，證明一種表型適應環境，有利于生物生存，那么該表型就有可能被固化為基因型。由于有性生殖種質與體質細胞的隔絕，要使一種獲得性（表型）固化為基因型，只能在配子形成合子至新的性細胞形成之間的胚胎發育早期完成。在哺乳動物發育中，基因組DNA甲基化會進行2次重編程，一次在配子形成階段，另一次在胚胎發育早期[14]。發生在胚胎發育早期的去甲基化和重新設置甲基化的重編程，為表型轉化為基因型提供了機會和空間；實際上，按照達爾文主義的觀點，導致生物進化的隨機突變都應集中發生在精卵細胞結合至生殖細胞形成之前的胚胎發育早期。因為只有此時的體細胞與生殖細胞才是一致的或密切聯系的，其他階段的基因突變不能保證體細胞和生殖細胞的一致性。當然，表型轉化為基因型應該有一個規則。我們認為，每個個體都記錄了大量表型（表觀修飾的）獲得性，所有獲得性的遺傳（表達）都會記錄在案，遺傳1次記錄1次，遺傳2次記錄2次……在形成合子、胚胎發育早期，雙親的獲得性通過競爭，哪種獲得性在過去的遺傳（表達）次數最多，并且超過某一設定值（比如等位基因表達的次數），它就被固化為基因型。

1.4性狀的重組表達被保留下來的包括已固化為基因型的獲得性，也不一定能夠表達（尤其是真核生物）。生物的整個基因組所記錄的性狀遠遠多于能夠表達的性狀，所以真核生物在減數分裂時，通過各種形式的基因重組，以增加各種基因的表達機會和生物的多樣性。同時，在具體的表達中，要根據歷史上表達次數和當時的環境因素來確定由何種基因或非基因表型來表達，以利于生物性狀的穩定和對環境的適應。總體上，以適應環境的性狀優先表達；當多種性狀都適應環境時，則以那些歷史上遺傳（表達）次數最多的等位基因（性狀）來表達。這個過程可通過甲基化修飾等方式使基因沉默或激活來實現的[15]。

1.5性狀的強化獲得性（包括基因型和表型）每遺傳并表達1次，就被強化記錄1次，在下一次的競爭中就多一份表達的勝數。因此，一種被不斷強化的性狀是很難被取代或消失的，而新的獲得性由于表達的次數少則易被取代而消失。這一點與“用進廢退”相類似[1]。我國植物遺傳學家裴新澍在其專著《生物進化控制論》中記述，加拿大的馬丁（Martin C P）等一批學者在研究誘導變異遺傳時發現，“遺傳程度決定于作用的程度和代數”。越古老的性狀，越能持久，越不易改變和消失；而對于新形成的性狀，如果不鞏固加深其持久程度，就很容易退化和消失。生物性狀的退化時間與獲得該性狀的時間呈正相關[16]。這些事實證明，遺傳并表達的代數（次數）越多，獲得性就越牢固。

當然，上述5個步驟機制只是為了述說的方便而人為規定的。在生物體內，上述步驟可能是混雜交叉的，有些步驟在單細胞生物和無性生殖生物中可能不存在。所以，當運用到具體的生物時要有所取舍。

2獲得性遺傳的表觀遺傳學機制的特征

2.1經濟性一是獲得性被固化為基因型的時機最佳。只有在合子形成（復制）子代基因、胚胎發育早期時，獲得性被記錄為基因型才是最經濟的。它只要一次或幾次修改和復制，就足可以讓整個生物的遺傳信息發生變化。由于生物的每個細胞都有一套完整的遺傳信息，在其他任何時候，要改變生物的遺傳信息（基因型），并使每個細胞都保持一致，其工程之龐雜是不可想象的。二是方式最簡潔。將獲得性（表型）轉化為基因型，并不是直接以蛋白質為模板進行逆轉錄或逆翻譯，而是仍然以DNA為模板，通過甲基化和RNA調控等手段，用諸如剪切、鑲嵌和覆蓋等簡單的修飾、調控方式，使得復制形成的子代DNA系列發生變化。

2.2合作和競爭性生物個體并不擅自將自己的獲得性直接轉化為基因型，儲存到配子（種質細胞）里，并遺傳給下一代，而是先將獲得性轉換為非基因信息存儲起來；在產生子代時，通過雙親的競爭，對獲得性進行類似選舉的“票決”，即哪種獲得性表達次數最多，就將它記錄為基因型；同時，在滿足適應環境的條件下，由何種性狀表達，也要進行“票決”。

2.3穩定性獲得性轉化為基因型是一個累積和“票決”過程。這就保證通過不斷表達和長期形成的適應性性狀不會輕易地被改變，確保了生物的相對穩定。

3證據

3.1表觀遺傳學的支持及證據表觀遺傳一方面使得生物有能力獲得新性狀和保證獲得性的遺傳[10-13]，另一方面有能力將表觀修飾轉化成基因型。例如，胞嘧啶 C 的甲基化會使得核酸經脫氨基作用轉變為胸腺嘧啶 T，永久性地改變基因密碼[17-18]。這為上述機制的運行提供了堅實的支撐。同時，顧天鵬等[19]在對卵細胞重編程機制的研究中發現，卵細胞來源的母源因子Tet3加氧酶負責父本基因組DNA胞嘧啶甲基的氧化修飾，啟動DNA的去甲基化；而蔣嵐等[13]研究表明，父本的甲基化圖譜可以主導母源的DNA。這說明雙親在清除或保留甲基化（或獲得性）過程中都有參與或進行信息交流。如果DNA甲基化的清除或保留有信息溝通，那么有理由相信基因密碼的改寫也存在一種“協商”機制。

3.2與魏斯曼種質理論和中心法則的契合一直以來，獲得性遺傳的最大攔路虎是魏斯曼種質理論和克拉克的中心法則。我們提出的機制較好地契合了種質理論和中心法則。依據該文的機制，獲得性并不直接記錄到種質細胞的DNA中，甚至也不記錄到體質細胞的DNA中，而是作為一種非基因信息（如DNA甲基化、組蛋白修飾等）起作用。同時，在該文的機制中，復制仍然以DNA為模板，通過表觀修飾來調控DNA復制，使得蛋白質信息流向DNA。

3.3獲得性遺傳與表觀遺傳學的關系 自然界既然存在表觀遺傳，就一定有它存在的理由。一方面，生物為了適應千變萬化的環境，需要一種快速的適應性應變機制。穩定性極強的基因型遺傳是難以勝任的，而表觀遺傳則可以通過各種修飾來滅活或激活某些基因功能，快速地適應變化的環境[20-21]。另一方面，生物不可能也沒有必要把每種在短時間內適應環境的性狀都固化為基因型。通過表觀遺傳這一形式，可以對適應性性狀進行更長時間的“考察”和篩選，以確保那些真正的能夠更好地適應各種環境的性狀固化為基因型。因此，表觀遺傳不僅是對基因型遺傳的補充，而且是基因型遺傳的重要來源和基礎。基因型遺傳則是表觀遺傳的積累和固化。生物的進化就是通過表觀遺傳的篩選機制，將適應性不斷轉化和沉積為基因型遺傳的過程[18]。

4結語

該研究提出的獲得性遺傳的表觀遺傳學機制，雖然有理論基礎，但是還缺乏堅實的實驗證據，尤其是未找到適應性表型轉化為基因型的遺傳實例，所以只是一種假說。隨著表觀遺傳學研究的深入，獲得性遺傳的面紗將被逐漸揭開，屆時人們對生物的遺傳及其進化將會有一個全新的認識。

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