表观遗传学系列专文(一) 先人造业,后人承担:认识表观遗传学

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许多宗教经典里都强调先人的罪罚会加诸于后世子孙,乍看之下,这似乎只是一种警世的手段,但是近年来的遗传学相关研究都表示:个人的情绪、恶习、和不良嗜好所产生的负面影响,确实可能会遗传到下一代!举一个最简单的例子,大家都知道孕妇不能抽菸、不能喝酒,因为菸酒的成分可能会从妈妈的血液进入胎儿体内,造成发育障碍、器官失能、甚至畸胎。大家也都认为胎教很重要,因为妈妈的心情、想法、营养状态可能会影响到胎儿的发展。那是不是只要管好孕妇就能确保胎儿无恙?表观遗传学在近年的发展显示,状况绝对不是这么单纯……

为什么过去会认为个人后天的发展结果不会遗传到下一代…

在遗传学发展的初期,其实有两个学派为遗传的机制争论不休,即“基因遗传派”和“外观遗传派”。基因遗传派认为遗传是由遗传讯息所决定,不会受环境影响;外观遗传派则认为外在环境决定外观,而外观可以遗传给下一代。

从这两派对长颈鹿起源所提出的解释即可看出他们彼此的核心思想:基因遗传派认为长颈鹿一开始脖子长短不一,因为整个长颈鹿族群混有长脖子和短脖子基因;而有一天非洲大草原发生干旱,地面上的草都枯掉,只有脖子较长的长颈鹿能吃到矮树丛上的嫩芽新叶而得以存活。在这种情况下,短脖子长颈鹿失去竞争优势而无法将其基因传给下一代,于是长颈鹿族群最后就只剩下长脖子基因,长颈鹿的脖子也愈来愈长。外观遗传派则认为长颈鹿本来脖子都很短,是因为看到矮树丛上的嫩叶不断伸长脖子想吃,所以脖子慢慢变长;而长颈鹿父母会将努力伸长脖子所得到的成果遗传给小孩,小孩也会继续伸长脖子……久而久之,所有长颈鹿的脖子都变长了。

后来,外观遗传派的论点被著名的白鼠尾巴实验推翻:科学家选择尾巴特别长的白鼠品种,在剪掉尾巴后进行交配并产下后代,下一代白鼠则都在出生时剪掉尾巴,完全在无尾巴的状态下长大、交配、并产下后代:如此重复二十代后,新生出来的白鼠仍然有很长的尾巴,完全没有缩短或消失的迹象。而随着基因和 DNA 的发现,学界更确信先天拥有的遗传讯息才是决定下一代的关键,个体后天的所作所为完全不会影响也不可能遗传给后代子孙。

…而为什么现在会认为后天环境和行为可能会影响数代子孙

不过在 1942 年,英国生物学家 Conrad Waddington 率先提出表观遗传学的概念,认为后天环境对外观的影响确实无法遗传,但后天环境对基因的影响则有可能遗传给后代。

随着基因科技与知识不断累积,目前已知生活习惯、饮食、情绪、或压力等外在因素可能会在基因贴上标签并对基因表现产生影响;例如 DNA 分子可加上一种称为“甲基”的分子,导致该段 DNA 序列的基因无法正常表现。如果这项“甲基化”(methylation) 的过程发生在精子或卵子,这个无法正常表现的甲基化基因就可能被遗传给下一代,并影响外观或正常生理作用。

甲基化基因的遗传已在老鼠实验被证实:老鼠体内有一种名为 agouti 的基因,当此基因不受控制而自由活动时,老鼠便长出黄色的毛,体态会特别肥胖,也容易罹患糖尿病与各种癌症;但正常老鼠身上的 agouti 基因会受到甲基化抑制表现,因而会有棕色的毛与娇小身躯,各种疾病的发生率更降低许多。

研究人员遂针对一群怀孕的黄色胖母鼠喂食富含甲基的食物,结果发现所产下的老鼠宝宝大多发育成棕色瘦老鼠,且拥有较健康的饮食习惯;但未被喂食甲基饲料的黄色胖母鼠所产下的后代却大都发育为黄色胖老鼠。这项实验结果验证了母体的饮食习惯确实可在不改变基因的前提下,影响后代的外观及行为表现。

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高中熬夜准备考试,可能在十年后影响到小孩的健康?!

目前已知基因的甲基化可能会持续数年以上,也就是说在国高中时期的一些作息失调或环境冲击可能会影响到十年后才生出的下一代。举例来说, 1944-1945 年的荷兰在第二次世界大战受到德国占领的期间发生严重饥荒,许多荷兰人一天摄取的热量不到1000卡路里。

后来在战争结束后,荷兰获得解放,也与世界各国一样出现婴儿潮。在战后婴儿潮出生的小孩目前约 60-69 岁,而医疗与健康保险记录显示这个世代发生的糖尿病、心血管疾病、和肥胖等问题明显高于其他世代,并有证据显示这些问题源于母体营养失调影响到表观遗传学。

不仅如此,近年来自动物实验的证据更显示母体的状态除了可能影响到胎儿的细胞,亦有可能影响到胎儿的生殖系统和细胞,使甲基化基因遗传三代或四代。由此可知运动、保养、维持作息和健康必须时时为之,因为今天对自己基因种下的因,很有可能就是明天在子子孙孙出现的果。

延伸阅读:表观遗传学系列专文(二) 帝王食补帝王命,圾垃食物致百病

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参考文献:
1. 冈比亚地区妇女在不同季节的饮食差别,造成孩子在表观遗传层面出现不同程度的修饰:
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. 探讨肥胖讯息如何透过父亲的精子传递给下一代:
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]