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表觀遺傳學系列專文(一) 先人造業,後人承擔:認識表觀遺傳學

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許多宗教經典裡都強調先人的罪罰會加諸於後世子孫,乍看之下,這似乎只是一種警世的手段,但是近年來的遺傳學相關研究都表示:個人的情緒、惡習、和不良嗜好所產生的負面影響,確實可能會遺傳到下一代!舉一個最簡單的例子,大家都知道孕婦不能抽菸、不能喝酒,因為菸酒的成分可能會從媽媽的血液進入胎兒體內,造成發育障礙、器官失能、甚至畸胎。大家也都認為胎教很重要,因為媽媽的心情、想法、營養狀態可能會影響到胎兒的發展。那是不是只要管好孕婦就能確保胎兒無恙?表觀遺傳學在近年的發展顯示,狀況絕對不是這麼單純……

為什麼過去會認為個人後天的發展結果不會遺傳到下一代…

在遺傳學發展的初期,其實有兩個學派為遺傳的機制爭論不休,即「基因遺傳派」和「外觀遺傳派」。基因遺傳派認為遺傳是由遺傳訊息所決定,不會受環境影響;外觀遺傳派則認為外在環境決定外觀,而外觀可以遺傳給下一代。

從這兩派對長頸鹿起源所提出的解釋即可看出他們彼此的核心思想:基因遺傳派認為長頸鹿一開始脖子長短不一,因為整個長頸鹿族群混有長脖子和短脖子基因;而有一天非洲大草原發生乾旱,地面上的草都枯掉,只有脖子較長的長頸鹿能吃到矮樹叢上的嫩芽新葉而得以存活。在這種情況下,短脖子長頸鹿失去競爭優勢而無法將其基因傳給下一代,於是長頸鹿族群最後就只剩下長脖子基因,長頸鹿的脖子也愈來愈長。外觀遺傳派則認為長頸鹿本來脖子都很短,是因為看到矮樹叢上的嫩葉不斷伸長脖子想吃,所以脖子慢慢變長;而長頸鹿父母會將努力伸長脖子所得到的成果遺傳給小孩,小孩也會繼續伸長脖子……久而久之,所有長頸鹿的脖子都變長了。

後來,外觀遺傳派的論點被著名的白鼠尾巴實驗推翻:科學家選擇尾巴特別長的白鼠品種,在剪掉尾巴後進行交配並產下後代,下一代白鼠則都在出生時剪掉尾巴,完全在無尾巴的狀態下長大、交配、並產下後代:如此重複二十代後,新生出來的白鼠仍然有很長的尾巴,完全沒有縮短或消失的跡象。而隨著基因和 DNA 的發現,學界更確信先天擁有的遺傳訊息才是決定下一代的關鍵,個體後天的所作所為完全不會影響也不可能遺傳給後代子孫。

…而為什麼現在會認為後天環境和行為可能會影響數代子孫

不過在 1942 年,英國生物學家 Conrad Waddington 率先提出表觀遺傳學的概念,認為後天環境對外觀的影響確實無法遺傳,但後天環境對基因的影響則有可能遺傳給後代。

隨著基因科技與知識不斷累積,目前已知生活習慣、飲食、情緒、或壓力等外在因素可能會在基因貼上標籤並對基因表現產生影響;例如 DNA 分子可加上一種稱為「甲基」的分子,導致該段 DNA 序列的基因無法正常表現。如果這項「甲基化」(methylation) 的過程發生在精子或卵子,這個無法正常表現的甲基化基因就可能被遺傳給下一代,並影響外觀或正常生理作用。

甲基化基因的遺傳已在老鼠實驗被證實:老鼠體內有一種名為 agouti 的基因,當此基因不受控制而自由活動時,老鼠便長出黃色的毛,體態會特別肥胖,也容易罹患糖尿病與各種癌症;但正常老鼠身上的 agouti 基因會受到甲基化抑制表現,因而會有棕色的毛與嬌小身軀,各種疾病的發生率更降低許多。

研究人員遂針對一群懷孕的黃色胖母鼠餵食富含甲基的食物,結果發現所產下的老鼠寶寶大多發育成棕色瘦老鼠,且擁有較健康的飲食習慣;但未被餵食甲基飼料的黃色胖母鼠所產下的後代卻大都發育為黃色胖老鼠。這項實驗結果驗證了母體的飲食習慣確實可在不改變基因的前提下,影響後代的外觀及行為表現。

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高中熬夜準備考試,可能在十年後影響到小孩的健康?!

目前已知基因的甲基化可能會持續數年以上,也就是說在國高中時期的一些作息失調或環境衝擊可能會影響到十年後才生出的下一代。舉例來說, 1944-1945 年的荷蘭在第二次世界大戰受到德國佔領的期間發生嚴重飢荒,許多荷蘭人一天攝取的熱量不到1000卡路里。

後來在戰爭結束後,荷蘭獲得解放,也與世界各國一樣出現嬰兒潮。在戰後嬰兒潮出生的小孩目前約 60-69 歲,而醫療與健康保險記錄顯示這個世代發生的糖尿病、心血管疾病、和肥胖等問題明顯高於其他世代,並有證據顯示這些問題源於母體營養失調影響到表觀遺傳學。

不僅如此,近年來自動物實驗的證據更顯示母體的狀態除了可能影響到胎兒的細胞,亦有可能影響到胎兒的生殖系統和細胞,使甲基化基因遺傳三代或四代。由此可知運動、保養、維持作息和健康必須時時為之,因為今天對自己基因種下的因,很有可能就是明天在子子孫孫出現的果。

延伸閱讀:表觀遺傳學系列專文(二) 帝王食補帝王命,圾垃食物致百病

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參考文獻:
1. 甘比亞地區婦女在不同季節的飲食差別,造成孩子在表觀遺傳層面出現不同程度的修飾:
Dominguez-Salas P et al. Maternal nutrition at conception modulates DNA methylation of human metastable epialleles. Nat Commun 2014; 5:3746. doi: 10.1038/ncomms4746.
2. 探討肥胖訊息如何透過父親的精子傳遞給下一代:
Donkin I et al. Obesity and bariatric surgery drive epigenetic variation of spermatozoa in humans. Cell Metab 2015. doi: 10.1016/j.cmet.2015.11.004. [Epub ahead of print]

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