颠覆生物学经典概念:遗传不仅仅靠基因

来源:新浪科技发布时间:2018-05-04

遗传除了靠基因还靠什么?

颠覆生物学经典概念:遗传不仅仅靠基因

在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。

据国外媒体报道,多年来,基因能编码生物体所有可遗传特征的观点一直是遗传学和演化生物学的基本准则之一,但这一假设总是与混乱的实证研究结果不协调地共存着。近年来,随着一些重量级新发现的出现,这种不协调变得越来越明显。

在经典遗传学中,“基因型”(个体携带并可传递给后代的一组基因)和“表型”(生物体短暂拥有的环境和经验印记,但这些特征无法传递给后代)之间有着根本区别。只有那些由基因决定的特征才被认为是可遗传给后代的——因为遗传只能够通过基因的传递实现。然而,与“基因型/表型”二分法矛盾的是,一些基因上完全一致的动物和植物显示出了可遗传的差异,并且能对自然选择做出反应。

与经典遗传学相反的是,目前在某些复杂性状和疾病中,无法用基因来解释亲属之间的相似性,这一问题被称为“遗传性缺失”。然而,尽管个体的基因型似乎不能解释其部分特征,但有研究发现,亲本的基因在没有遗传给后代的情况下,也能影响后代的性状。此外,对植物、昆虫、啮齿动物和其他生物的研究表明,个体在一生中所处的环境和经历——饮食、温度、寄生虫、社会联系等——都能影响其后代的特征,对人类自身的研究也表明我们在这方面也非特例。这些发现中,有一些明显符合“获得性遗传”的定义——根据谷歌时代之前一个著名的比喻,这种现象就跟从北京发出的中文电报在到达伦敦时已经翻译为英文一样不可思议。然而,我们今天还可以不时在学术期刊上发现这类现象的报道,而就像互联网和即时翻译为通讯交流带来了革命性变化一样,分子生物学的发现也正在颠覆有关代际遗传的观点,比如哪些特征能遗传,哪些特征不能遗传。

生物学家现在面临着一个巨大的挑战,即理解不断出现的新发现如何颠覆一些根深蒂固的观念。通过阅读有关这类研究的最新综述,然后再翻阅任何一本本科生物学教材的介绍性章节,每个人都可以感受到其中越来越严重的不协调。传统遗传概念中显然缺少了某些东西,它宣称遗传完全由基因介导,否认了环境和经验的某些影响传递给后代的可能性。

如果某些非基因突变是可遗传的,那么随之而来的是,这些突变也能对自然选择做出反应,并且在没有基因变化的情况下产生跨世代的表型变化。这种变化并不符合演化上标准的遗传定义——只限于世代之间等位基因频率的变化。这一定义由演化遗传学家费奥多西·多布然斯基(Theodosius Dobzhansky)提出,抛弃了基因是可遗传突变唯一来源的假设。根据这一假设,基因是自然选择能够作用的唯一原始材料,会产生跨世代的表型变化。然而,回想一下,达尔文对基因突变和非基因突变之间的区别并不了解。他最深刻的洞见是,应用于种群内部可遗传突变的自然选择可以在不同世代中使生物体的平均特征发生改变,因为这些可遗传特征总是与大量存活的后代有关,将在每一世代中表现在更大比例的个体上。将非基因机制并入遗传性并不需要对这一基础的达尔文理论做任何改变。


非基因效应

颠覆生物学经典概念:遗传不仅仅靠基因

一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。 

一类非基因效应(如母体效应)非常明显,几十年来已经在科学上得到了承认。根据定义,母体效应表现为母体的表型会影响后代的表型,而这一效应无法用母体等位基因的传递来解释。这类效应可以通过母体对其后代的多种影响途径来实现,包括隔代表观遗传、卵细胞结构的变化、子宫环境、母亲对产卵或产子的地点选择、后代将经历的环境改变,以及产后生理和行为的相互作用等。一些母体效应是母亲特征对后代发育产生的消极后果,包括母体中毒、疾病或衰老等产生的有害影响;另一些母体效应则代表着生殖投资策略,能增强繁殖成功率。也就是说,这些非基因效应有时能增强,有时也能减弱母亲及其后代的适应能力。

直到最近,母体效应还被认为只不过是一种干扰,即遗传研究中的某种环境“误差”来源。但至少,遗传学家确信在大多数物种(包括重要的实验室“模型生物”,如果蝇和小鼠等)中,父亲只能将等位基因传递给它们的后代。然而,近期的研究揭示了许多父体效应的例子,包括小鼠、果蝇和许多其他物种。事实上,在有性生殖的物种中,父体效应可能与母体效应一样普遍。

后代可能受到环境和经验、年龄,以及父母双方基因型的影响。环境因素(如某种毒素或营养物)可能会导致亲代身体发生改变,从而影响后代的发育。正如我们所看到的,身体机能随年龄增长而退化也会影响生殖功能,以及可遗传的非基因因素,从而影响后代的发育。

亲本中某种基因的表达影响后代表型的现象被称为“间接遗传效应”。或许与直觉相反的是,这类效应可以很好地放到非基因遗传的范畴内,因为它们是由非基因因素的传递介导的。例如,在亲本中表达的特定基因可能会影响它们对后代的行为,或者改变种系中其他基因的表观遗传特征,从而影响后代的发育,即使后代并没有遗传该基因。

对小鼠的研究提供了一个间接遗传效应的显著例子。薇姬·纳尔逊(Vicki Nelson)及其同事通过不同的近交系小鼠品系培育出了除Y染色体外在基因上十分相似的雄性小鼠,接着他们提出了一个非常奇怪的问题:雄性的Y染色体是否会影响其雌性后代的表型?任何在高中生物学课堂中保持清醒的人都知道,女儿不会继承父亲的Y染色体。因此,按照经典遗传学的逻辑,父体Y染色体上的基因不会影响其雌性后代。然而,纳尔逊和同事们发现,父体的Y染色体确实会影响雌性后代的多种生理和行为特征。事实上,父体Y染色体对雌性后代的影响程度可以和父体常染色体或X染色体的影响相当,后两者都是雌性后代能继承的。尽管我们还不知道其中的机制,但Y染色体上的基因肯定能以某种方式改变精子的细胞质、精子的表观基因组或精液的组成,使Y染色体上的基因能影响没有遗传这些基因的后代的发育。

一些母体和父体效应似乎是作为帮助后代在最可能遇到的环境中取得优势的手段演化出来的。这种“预见性”父母效应的例子中,最典型的是当亲本受到掠食者威胁时能诱导后代的防御,水蚤就是如此。水蚤是一类微小的淡水甲壳动物,用一对较长的附肢作为桨,在水中缓慢地移动。它们很容易被掠食性昆虫、其他甲壳动物和鱼类捕食。当发现来自掠食者的化学信号时,一些水蚤物种的反应是从头部和尾部长出棘刺,使自己变得更难被捕捉或吞食。曾暴露于掠食者压力下的水蚤所产生的后代,即使在没有掠食者信号的情况下,也会长出棘刺,并且可能经历生长速率和生活史的改变,进一步降低被捕食的可能性。许多植物中也会出现这种跨世代诱导的防御措施;当受到植食动物(比如毛毛虫)的攻击时,植物所产生的种子能分泌出气味难闻的防御性化学物质(或者能对植食动物更快地启动这类防御措施),而且这种诱导防御能够持续好几个世代。

尽管目前尚不清楚水蚤母体如何诱导后代的棘刺发育,但一些明显具有适应性的母体和父体效应例子都涉及到将特定的化合物传递给后代。举例来说,美丽灯蛾(学名:Utetheisa ornatrix )能通过食用豆科植物来获得吡咯里西啶生物碱。雌蛾会受到这种化学物质含量丰富的雄蛾吸引,而这些雄蛾能将部分毒素储存在精液中,作为“结婚礼物”注入雌蛾体内。雌蛾将这些生物碱整合到虫卵中,使其后代变得对掠食者来说不大“可口”。

父母还能帮助后代为可能面临的社交环境和生活方式做好准备,比如沙漠蝗虫(学名:Schistocerca gregaria)。这种昆虫能够在两种截然不同的表型变种之间转换:灰绿色的“孤独”变种和黄黑色的“合群”变种。合群变种具有生殖力较低、寿命较短和脑部较大等特征,而且有聚集形成庞大迁移群体的趋势,能够吃尽大片区域的植被。在遇到密集的蝗虫群体时,蝗虫的行为方式可以从孤独迅速转变为合群,而且雌性蝗虫所经历的种群密度也会决定它们后代的变种类型。然而,有趣的是,整套表型的改变会在几个世代中积累,表明母体效应是累积性的。这种效应似乎是由传递给后代的物质(通过卵细胞质和/或包裹在卵细胞上的附属腺体产物)介导的,而生殖系谱中的表观修饰也可能发挥着某种作用。

不过,父母的经历并不一定会使子女表现得更好。首先,父母可能会误判环境线索,而环境也可能变化太快,意味着父母有时会根据错误的情况调整后代的特征。例如,如果水蚤的母亲诱导了后代发育出棘刺,但掠食者一直没有出现,那后代就要一直背负着棘刺,无法从这一特征中获得好处。在这种情况下,预期的父母效应实际可能会伤害后代。一般而言,后代面临一个复杂的问题,即如何把父母接收到的环境线索和自己直接从环境中接收到的线索整合起来,它们最佳的发育策略将取决于那些更有用和更可靠的线索。

虽然亲本的预期效应可能会误伤,但总体而言,这些效应还是会受到自然选择的青睐。不过也有许多亲本效应根本就不具有适应优势。压力不仅对体验到压力的个体有害,而且对它们的后代也会产生有害影响。例如,美国伊利诺伊大学的凯蒂·麦吉(Katie McGhee)、艾莉森·贝尔(Alison Bell)等人的研究结果显示,暴露于模拟捕食者攻击的雌性棘背鱼科鱼类会产下学习速度缓慢的后代,它们在面对真实捕食者时无法正确应对,因此会比没有经历过模拟攻击的雌鱼所产后代更容易被吃掉。这些效应会让人联想起人类母亲在怀孕期间吸烟的可怕后果。对人类群体的相关性研究(以及在啮齿类动物中的实验性研究)显示,母体吸烟并不能帮助发育中的胎儿对呼吸道刺激做好准备,反而会改变子宫内环境,导致幼儿容易患上肺功能衰退和哮喘,此外还会降低新生儿体重,造成生理紊乱和其他问题。类似的,从酵母到人类的许多生物体中,大龄父母往往会产生体弱或寿命较短的后代。尽管通过生殖谱系传递的基因突变可能会导致这样的“亲本年龄效应”,但起主要作用的似乎是非基因遗传。因此,虽然某些类型的亲本效应代表了可以增强适应性的演化机制,但另一些亲本效应显然也会传递病症或压力。这种“非适应性”亲本效应可以和有害的基因突变相当,尽管它们与特定条件下稳定诱导的基因突变有很大差别。

亲本效应有时能产生危害的事实表明,后代应该演化出能减轻伤害的方法,或许可以通过屏蔽从父母那里得到的特定非基因信息来实现。即使父母及其后代的健康利益十分一致,这种情况也可能发生,因为对父母及其后代而言,错误的环境线索或亲本病症的传递都是极其不利的。不过,正如达斯汀·马绍尔(Dustin Marshall)、托拜厄斯·乌勒(Tobias Uller)等研究者所指出的,父母及其后代的健康利益很少一致,因此亲本效应有时会成为父母和后代冲突的舞台。个体会选择能最大化自身利益的资源分配方式。当某一个体预期在一生中能产生不止一个后代时,它就会面临如何在多个后代中分配资源的问题。举例来说,母亲可能会通过产生更多数量的后代来最大限度地提高繁殖成功率,即使这一做法意味着对每个后代的投入都会减少。但是,由于每一个后代都可以从母亲那里获得更多资源而受益,因此这种“自私”的母性策略对后代来说代价高昂,并且可能会筛选出反制策略,使后代能从母亲那里获取更多的资源。

事情还会进一步复杂化,母亲和父亲的利益也可能出现分歧。举例来说,大卫·黑格(David Haig)指出,父亲往往可以通过帮助它们的后代从母亲那里获取额外资源而受益,即使这些额外投资会减少母亲的健康利益。这是因为,每当雄性有机会与多个雌性一起养育后代时,每一个雌性都有机会同其他雄性交配,因此雄性的最佳策略就是自私地榨取每一个配偶的资源,为自己的后代谋福利。在非基因遗传演化中,这种亲子关系和父母对后代投入上的冲突是一个具有潜在重要性,但又很少有人探索的维度。


饮食对适应性的影响

颠覆生物学经典概念:遗传不仅仅靠基因

雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。

在构成一个动物生存环境的无数要素中,饮食对于形成达尔文式的适应性、保持健康和其他许多特征而言尤其重要。事实上,饮食也可以对不同世代产生重大影响。科学家对指角蝇(学名:Telostylinus angusticollis)受饮食的影响进行了研究。这种蝇类主要分布于澳大利亚东海岸地区,在腐烂的木头上繁殖。雄性指角蝇的差异非常明显:在同一根木头上的典型群体中,你可以同时找到2厘米长和5毫米长的个体。不过,如果在实验室中以标准的幼虫食谱进行饲养时,所有成年雄性指角蝇都会长成十分相似的体型,这表明野生状态下的体型差异大部分是环境因素造成的,而非内在的遗传因素;换句话说,足够幸运获得充足食物的蛆虫会发育成体型较大的成体,而缺乏营养的蛆虫最终只能接受微小的体型。

然而,这种由环境因素诱导的雄性表型变化会在世代间进行传递吗?为了找出答案,研究者用两种培养基对来自同一母体的雄性指角蝇幼虫进行培养,一种是营养丰富的培养基,另一种则是稀释之后的培养基。

研究人员将获得的大、小两组雄性指角蝇与用相同食物培养的雌性指角蝇配对,然后测量它们的后代特征。他们发现,体型较大的雄性指角蝇会产生较大的后代,而后续的工作显示,这种非基因父体效应可能是通过精液中传递的物质介导的。然而,由于雄性指角蝇转移的精液量很小,比一些昆虫物种的雄性所产生的通常含有营养物质的精液小几个数量级,因此这种效应似乎不涉及将雄性的营养物质转移到雌性或其后代体内。

科学家近期发现,这种效应甚至可能扩大到由其他雄性所产下的后代。安杰拉·克林(Angela Crean)按前述方法获得了大、小两组不同体型的雄性指角蝇,并用雌性与这两组雄性都进行交配。首次交配发生在雌性的卵未成熟时,而第二次交配发生在两周之后,此时卵已经成熟,并被包裹在无法渗透的硬壳中。雌性指角蝇在第二次交配后很快就产下了卵,科学家采集了这些后代并对其进行基因型分析,以确定亲子关系。由于蝇类的卵只能在成熟时受精(精子通过卵壳上的特殊开口进入卵细胞),而雌性储存精子的时间很少达到两个星期之久,因此科学家毫不意外地发现,几乎所有指角蝇后代都是源自第二次交配的雄性。有趣的是,后代的体型会受到母亲第一个交配对象在幼虫阶段的饮食影响。换句话说,如果幼虫的母亲第一次交配的对象在幼虫阶段营养充足的话,它们就会长得比较大,即使这个对象并不是它们的父亲。另一项独立进行的实验排除了雌性指角蝇会根据对第一个雄性的视觉或信息素评估结果来调整对后代投入情况的可能性。由此我们可以得出结论:来自第一只雄性精液的分子会被雌性体内未成熟的卵吸收(或者以某种方式诱导雌性改变对发育中的卵的投入),从而影响另一个雄性所育胚胎的发育。在孟德尔遗传学出现之前,这种非父隔代效应(被德国演化生物学家奥古斯特·魏斯曼称为“先父遗传”)在科学文献中被广泛讨论,但早期证据并不令人信服。近期的研究提供了第一个现代证据,表明这种效应是可能的。尽管先父遗传并不在通常的“垂直”(父母—后代)遗传概念范畴内,但它突出说明了非基因遗传违反孟德尔假设的可能性。

有充足的证据表明,对哺乳动物来说,父母的饮食也会影响后代。20世纪上半叶时,有研究者开始进行饮食——特别是对蛋白质等关键营养物质的限制——对大鼠影响的实验性研究,目的是深入了解营养不良的健康后果。20世纪60年代,研究者好奇地发现,在怀孕期间喂食低蛋白饮食的雌性大鼠所产生的后代,以及这些后代的后代,都显得病态十足和骨瘦如柴,具有相对较小的大脑,神经元数量减少,在智力和记忆测试中表现糟糕。近年来,研究工作已经转向了解营养摄入过量或不平衡的影响,以大鼠和小鼠作为实验模型来深入了解人类肥胖症的情况。现在我们可以确定,母方和父方的饮食会对后代发育和健康情况产生多种影响,其中一些效应是通过胚胎干细胞在子宫内的表观遗传重编码来实现的。例如在大鼠中,研究显示母鼠的高脂肪饮食会减少造血干细胞的增殖,而富含甲基供体的母鼠饮食会促进胚胎神经干细胞的增殖。研究还发现,大鼠中高脂肪的父鼠饮食会导致雌性后代的胰岛素分泌减少和葡萄糖耐受力降低。人类也有存在这些效应的证据。

回顾目前对扩展遗传的研究现状,我们会想起20世纪20年代的遗传学,或20世纪50年代的分子遗传学。我们的所知所得,只能使我们明白更多未知的存在,以及未来将面临的挑战。不过,一个已经无可置疑的结论是,在将近一个世纪里塑造了实证研究和理论研究的高尔顿式假设,已经违背了现在发现的许多情况,而这意味着生物学又将迎来令人振奋的时代。实证研究者将在很多年里忙于探索非基因遗传,观察其生态效应,并确定其在演化上导致的结果。这项工作将需要开发新工具,还需要设计巧妙的实验。理论研究者也有着同样重要的工作,包括澄清观点并做出新的预测。在实践层面上,现在医学和公共健康领域同样清楚的是,我们不需要成为“我们所获得天性的被动传递者”,因为我们的人生体验在塑造我们传递给后代的遗传“本质”中发挥着非同寻常的作用。

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