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環境會影響基因! 環保義不容辭

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環境問題牽涉到地球的永續發展,不僅影響人類,也包含其他動植物、微生物的存活。無論是空氣汙染、水汙染或全球暖化等,都是當今人類面臨的重大議題。如今也有研究結果表明,個體若是處在不良環境下,其基因會受影響甚至遺傳給下一代。

2018 年 3 月 6 日,《Nature Communications》刊登一篇由加拿大安大略省癌症研究機構(Ontario Institute for Cancer Research)進行的最新研究,描述環境影響人類罹患疾病的風險,並造成個體適應環境變遷時的遺傳變異。在面對複雜疾病的研究,想要釐清環境與遺傳變異,在個體對疾病敏感性的影響仍是相當具有挑戰。目前環境與基因的交互作用被認為是普遍存在的,而且可能會遺傳並造成後代罹患疾病的風險。究竟環境暴露是如何影響個體的基因型呢 ?

環境因子對基因的影響超過血緣

先前一項由加拿大精準醫藥(Canada’s precision medicine)所主導的計畫-Canadian Partnership for Tomorrow Project(CPTP),為了釐清環境、遺傳因子在慢性病的影響,長期追蹤超過 315000 位加拿大人。
研究人員收集受試者的血液樣本進行定序,並在全基因體分型上,將這些法裔加拿大人分為本地型(FC-locals)和區域移民型(FC-regional migrants),前者指的是與居住地區有著相似血統的個體,後者則是其祖先來自不同地區的移民,欲分析血緣和環境對基因表現的影響。

透過轉錄體分析,發現居住在城市(MTL)和居住在小鎮(SAG)的法裔加拿大人裡,其表現量有差異的基因數目最多,高達 6649 個基因。相較之下,Montreal 和 Quebec City 的組別只有 505 個,而 Quebec City 和 Saguenay-Lac-Saint-Jean 的組別則是 2167 個。在同一地區,本地型和區域移民型的法裔加拿大人相比,其基因表現量有差異的數目則相當小。這些表現量有所差異的部分包含許多涉及氧氣與氣體交換、G 蛋白偶聯受體(G-protein-coupled receptors)以及炎症反應的有關基因。

結果指出,環境暴露對於基因表現的影響竟比血緣關係還大,而且可能影響潛在的表型變異以及疾病的發展。

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空汙影響表觀遺傳調控

他們進一步收集了魁北克省的各種相關資訊,包括空氣品質方面的 PM2.5、NO2、O3 和 SO2,以及社會經濟指數、人口密度、環境綠化、食物取得性、步行能力、公園密度和街道網路等面向,共 12 項作量化分析,發現其中幾個可能造成基因表現量差異的關鍵因子。例如,受試者的臨床指標中,動脈硬化、氣喘、低密度脂蛋白(LDL)、呼吸功能(FEV1)、肝酶(ALT、AST、GGT)水平等,皆與環境中的 SO2 和 O3 濃度有強烈相關性。當中牽涉多達 170 個表現差異基因,包括與氧氣運輸活性、白血球遷移、慢性發炎,以及 CXCR 趨化因子活性和 G 蛋白偶聯受體相關的部分,揭示空氣汙染對健康狀況的不利影響。

他們也利用轉錄體分析,發現許多與不同空氣汙染源(PM2.5、NO2、SO2、O3)有關的基因,指出糟糕的空氣品質可能作用於部分基因和途徑的調節,並直接導致個體心肺功能障礙或促炎症(pro-inflammatory)的狀態。其中,一個 atad2 基因,其蛋白產物是ATPase家族的一員,可讀取染色質上的表觀遺傳標記(epigenetics marks),影響基因調控,它被認為與多種人類疾病有關,並可作為多種不同癌症的不良預後標記。

本篇研究主要說明了居住地區對轉錄體的影響超過血緣上的影響,尤其暴露在空氣汙染較嚴重的環境,更解釋了區域間某些臨床病症的差異(例如氣喘發病率)。幸運的是,空氣品質在 80 年代後逐漸獲得改善。反倒是許多亞洲國家因為工業快速發展和石化燃料的使用,使空汙日趨嚴重,導致更高的發病率和死亡率。

人與環境的共存共榮

其他類似研究還有 2016 的《Science》,有一期基因與環境的特刊,提及許多例子說明遺傳和表觀遺傳如何改變人類對環境的反應,並可能在疾病中發揮作用。例如喜馬拉雅山的居民-夏爾巴人,終年在寒冷、低氣壓的環境中生活,是外地人想要登上珠穆朗瑪峰不可或缺的嚮導與幫手,研究表明他們的血壓較低、肺活量較高,皆是遺傳下來的特性。

還有各種生物為了適應極端氣候、疾病威脅、有毒環境等所演變出的適應力。以及非序列遺傳的基礎,透過表觀遺傳學,將親代有利的生存經驗遺傳給子代,使其更能適應環境,避免致命威脅。除了本篇研究,還有許多環境與基因交互作用的例子,未來可望有更多後續研究能進一步釐清環境影響生物的詳細機制,正視環境保護的重要性,追求永續發展,維護生物多樣性。

延伸閱讀:遺留雪地中的線索:環境 DNA

參考資料:
1. Favé MJ, et al. Nature Communications. 2018; 9 (1) doi:10.1038/s41467-018-03202-2
2. Fan S, et al. Science. 2016 Oct 7; 354(6308): 54–59
3. Miska EA, et al. Science. 2016 Oct 7;354(6308):59-63

文 / Biker

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