你遗传给后代的比你想象的要多——表观遗传的祖辈“原罪”｜经典回顾
发布时间： 2017-02-06 15:01:59 点击量：
引言：《晏子春秋》有曰：“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似。所以然者何?水土异也。” 子曰：“与善人居，如入芝兰之室，久而不闻其香，则与之化矣；与恶人居，如入鲍鱼之肆，久而不闻其臭，亦与之化矣。”《荀子·劝学》有曰：“蓬生麻中，不扶自直，白沙在涅，与之俱黑。” 子曰：“与善人居，如入芝兰之室，久而不闻其香，则与之化矣；与恶人居，如入鲍鱼之肆，久而不闻其臭，亦与之化矣。”由此可知，中国古代的先哲们充分注意到了环境对于一个人的成长起着非常重要的作用。那么，现代科学又有哪些证据支持这一论点？父母的生活方式或者外界环境到底是如何影响后代的呢？这篇文章将从表观遗传学（不依赖于DNA序列变化所产生的可遗传的变化）的角度对此问题进行解答[1,2]。
不同来源的表观遗传影响与人类健康（图片引自“Epigenetics across the human lifespan”一文）
作者 丁广进（华东师范大学）
受饥荒影响的女性所生后代易发代谢和精神疾病
整个20世纪，人类经历了近十次大饥荒，其中广为人知的有“列宁格勒饥荒”、“河南大饥荒”、“荷兰大饥荒”和中国大跃进期间的“三年困难时期”。这些饥荒不仅对当时的人们造成了巨大影响，也通过不同方式影响着后代。目前研究多主要集中在饥荒对体重、代谢和精神障碍等方面的影响上[3]。有研究表明，在大饥荒下出生成长起来的女性更容易患上肥胖症，并对当时所生育的新生儿的体重也有影响。例如，在中国“三年困难时期”期间，在大饥荒影响下出生的女性与没有受饥荒影响的女性相比，前者出生时的体重更重，此外还伴随有一些其它的健康影响[4-6]。
近年来的研究发现，在精神障碍方面，营养问题与精神疾病之间有着紧密的联系，成年后的精神问题或许就是婴幼儿时期营养不足埋下的隐患。有早期国外研究表明，胎儿时期的营养不良与长大成人后患精神分裂症之间的相关性可能具有普遍性[7]。无独有偶，据上海交通大学BIO-X研究中心贺林院士领导的研究小组发现，出生于中国三年困难时期的新生儿，其成年后患精神分裂症的机率较正常年份的人群翻了一番[8,9]。但是这些出生在大饥荒期间的人群后代患精神分裂症的机率是否也偏高，现在还不清楚，需要进一步追踪研究。
有关饥饿导致的获得性性状跨代遗传的具体分子机制，直到近几年才慢慢浮出水面。来自荷兰莱顿大学医学院的Bastiaan T. Heijmans课题组通过分析“荷兰大饥荒”期间出生的人群中DNA甲基化（主要指在DNA甲基化转移酶的作用下将甲基选择性地添加到DNA上，其常规作用就是在某些条件下关闭基因表达）的差异，部分解释了荷兰饥荒可能通过某种表观遗传学机制影响当代人及后代人的身心健康。2008年Heijmans课题组发表在《美国科学院院刊》（PNAS）的论文指出，在“荷兰大饥荒”期间受孕遇到饥荒出生的儿童，其类胰岛素生长因子II（Insulin-like Growth Factor II，IGF2）基因差异甲基化区（Differentially Methylated Region ，DMR）甲基化水平低于他们的同性兄弟姐妹。然而在饥荒期间受孕后的后期（至少经历十周）遭遇饥荒出生的儿童在IGF-2基因的差异甲基化区甲基化水平则没有显著差异[10]。这也许是因为DNA甲基化在胚胎发育早期经历了一次大幅度变化，而胚胎发育后期的DNA甲基化水平一般较为稳定。
随后，Heijmans课题组又分别在2009年和2014年发表了相关论文，从全基因组DNA甲基化水平差异进一步分析了其它受饥荒影响的与生长和发育有关基因的甲基化水平[11,12]。特别是2014年的论文中，Heijmans课题组鉴定到了181个差异甲基化位点是与经历饥荒相关的，这些位点所在的基因主要与代谢调控相关。
吃不饱的孕鼠后代个头小易患糖尿病
基于“荷兰大饥荒”的表观遗传研究提示，父辈的营养不良给后代带来一系列影响也许是通过DNA甲基化差异来起作用的。近年来科学家利用小鼠模型做了一些类似的研究，结果同样表明：不良的产前环境可以通过改变精子内DNA甲基化水平导致后一代或后两代的代谢疾病。
2014年，来自剑桥大学和哈佛医学院的研究团队发表在《科学》上的论文通过使用小鼠模型，模拟了妊娠期营养不良对后代的影响（给怀孕12.5天到18.5天的小鼠喂食比平时少50%热量的食物），发现该种情况下孕育的后代（F1代）个体较小、且更易患糖尿病，令人更为惊讶的是这些雄性小鼠（F1代，在没有饮食限制的前提下）的后代（F2代）也出现过了相同的症状[13]。
为了研究这一跨代遗传效应传递的机制，研究人员分析了F1代雄性小鼠精子体内DNA甲基化水平，发现对照组（正常喂食的F1代）和实验组（饮食限制喂养的F1代）相比出现了166个差异甲基化区域（111个区域发生低甲基化，55个发生高甲基化但是假阳性），且发生的都是位于DNA非编码区的低甲基化。通过分析F2代小鼠精子中DNA甲基化差异，发现这一差异已经丢失掉了。这些结果表明，祖辈营养不良的记忆可以传给子一代和子二代，但是只有子一代精子中的DNA甲基化水平发生了变化，也就是说子二代的记忆可能通过其他方式但至少不是通过甲基化差异来传递。
由此可见，人类或者小鼠在“饥饿”的环境下获得的性状可以通过改变DNA甲基化的方式传递给后代，那么过量饮食获得的性状是否也能遗传呢？
吃太好所生后代出现代谢紊乱
在2014年12月4日发表在《细胞》（Cell）杂志上的封面文章中，研究人员在雄性果蝇交配的前两天内增加其饮食的糖含量，然后使之与正常饮食的雌果蝇交配。雌果蝇产下的卵经过正常发育至成年后，与正常营养条件下繁殖的后代相比，其体重偏大且甘油三酯水平显著升高[14]。
一般认为果蝇的DNA上没有或者极少存在DNA甲基化修饰，研究人员从染色质组蛋白的修饰（组蛋白修饰指在特定酶的作用下，组蛋白上发生添加或去除相应化学基团的修饰，从而改变染色质状态，调控基因表达的表观遗传学机制。）入手，发现异染色质的状态是由组蛋白赖氨酸的甲基化等修饰来决定的。当使用不发生这类修饰的果蝇突变体进行实验时，发现同样在高糖饲喂下的雄果蝇并不能将肥胖和高甘油三酯表型遗传给后代。这说明，果蝇传递的“性状”是通过组蛋白翻译后修饰这一表观遗传学方式来完成的。高糖饮食的果蝇由于染色体上异染色质状态改变，导致某些受异染色质状态影响的基因表达水平改变，并通过该机制将获得性性状遗传给了后代。
表观遗传学主要的研究内容：DNA甲基化、组蛋白翻译后修饰、组蛋白变异体、染色质重塑和非编码RNA（图片引自http://epialliance.org.au/what-is-epi/）
2015年年底，来自中科院段恩奎、翟琦巍、周琪等课题组合作发表在《Science》上的研究，运用高脂饲喂诱导的父代肥胖小鼠模型，发现一类成熟精子中高度富集的小RNA(tsRNAs)可作为一种表观遗传信息的载体，将高脂诱导的父代代谢紊乱表型遗传给子代[15]。
研究组最开始通过将高脂饮食诱导的肥胖小鼠的精子头部部分（Sperm Heads）注射进正常的受精卵，发现子代小鼠在正常饮食下也会出现类似于父代肥胖小鼠的表型，比如肥胖、葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗。研究人员推测这类获得性性状的传递可能和精子细胞中的小RNA变化有关。
之前已有研究证实，线虫和小鼠中都存在小RNA介导的不同形式的获得性性状跨代遗传[16-19]。成熟精子中的小RNA种类众多，那么到底是哪一类小RNA起主要作用呢？中科院动物研究所的段恩奎研究组2012年发表在《细胞研究》（Cell Research）的论文发现，哺乳动物成熟精子中有一类进化上保守、来源于tRNA 5’端序列、且高度富集在30-34nt的新型小RNA——tsRNAs (tRNA-derived small RNAs), 这种tsRNAs可作为一种父源信息在受精时进入卵子[20]。这提示肥胖小鼠精子RNA中可能携带有传递父代获得性性状的表观遗传信息。进一步分析发现，父代肥胖小鼠模型中精子tsRNAs对于代谢紊乱表型的传递是必须的。
父辈代谢紊乱通过tsRNA介导的表观遗传机制对子代的代谢产生影响。图片来源：Science. 2016 Jan 22;351(6271):397-400. (Fig S13)
接下来，研究人员通过体外合成这类tsRNAs，试图模拟内源tsRNAs产生的表型变化，但这类合成的tsRNAs非常容易被降解，这是因为内源的tsRNAs上存在不同的修饰从而维持了其稳定性，2014年来自段恩奎研究组发表的论文提示了这一现象[21]。随后，研究人员（中国科学院上海生命科学院营养所翟琦巍研究组）运用液相色谱和串联质谱手段鉴定出一系列tsRNAs上的各种修饰，最终发现有两种修饰（m5C 和 m2G）在高脂小鼠精子tsRNAs中发生了显著变化。不过研究人员最终并没有使用合成的修饰过的tsRNAs去模拟内源tsRNAs引起的变化，但是却是一种可能的策略。
进一步检测发现，注射肥胖小鼠精子tsRNA的早期胚胎以及后代小鼠胰岛的转录组发生了明显变化，变化基因集中在代谢通路上。但这些变化与基因CpG岛的DNA甲基化程度并不相关，提示精子tsRNA的作用并非通过调节DNA甲基化来实现。总的来说，此项研究从精子RNA角度出发为研究获得性性状的跨代遗传现象提供了全新的视角，未来关于精子tsRNA及其修饰谱在早期胚胎发育调节中的作用机制将是领域内亟待解决的关键问题。
而同期在《Science》发表的另一篇来自麻省理工大学医学院类似的研究工作，同样证明了精子内的tRNAs是如何受到饮食影响，引起后代基因调控改变，从而引发代谢障碍的[22]。研究人员首先检测了某种低蛋白(LP)饮食的小鼠精子中是否存在RNA浓度的改变。结果证明，来自睾丸未成熟精子的小RNAs与饮食作用没有相关性。而附睾中成熟精子内的小RNA中有某些RNAs发生上调表达。通过比较LP小鼠和对照小鼠精子RNA，发现在LP组中一类RNA的浓度特别高：tRNA-Gly-GCC。进一步的分析提示tRNA-Gly-GCC会抑制某个基因亚组，其中包括反转录单元MERVL，进而影响代谢相关基因的表达水平。
以上几项研究提示父辈的营养饮食是如何影响后代身心健康的。父辈的生活环境也是重要影响因素之一。尤其是随着当今社会经济水平的发展，生活方式的转型，人们面临焦虑、紧张、抑郁等心理压力的情况愈发频繁。长期处在外界应激环境下的成人所生后代会受到哪些影响？该影响又是如何在父辈与子代之间遗传的？
父辈的恐惧情绪记忆可遗传至子代
2013年，发表在《Nature Neuroscience》上的一篇论文激起表观遗传学领域的专家学者热烈的讨论[23]。在这篇文章中，来自美国埃默里大学医学院等研究机构人员通过使用电击等手段使实验鼠对某种气味（苯乙酮）产生恐惧，然后对他们进行正常饲养。结果发现实验组小鼠的后代都会对这种气味非常敏感，并表现出恐惧感，即便是通过人工授精获得的后代（第三代）也不例外。
经受苯乙酮气味刺激和电击的小鼠后代遗传了与父辈相同的恐惧反应。图片来源：Nature Neuroscience
研究人员通过对受影响小鼠的精子DNA进行测序分析，发现苯乙酮的受体基因Olfr151呈现出CpG位点低甲基化，使其表达水平增加，最终增强了动物对这种气味的敏感性。于是这种获得性的改变在小鼠的后代中得到了延续。
一时间，诸多知名期刊迅速发表了相关评论，其中Nature以“表观遗传学：父亲的原罪”为题专门报道了该项研究背后的故事[24]。研究人员首先让雄性小鼠接触苯乙酮（acetophenone）——一种带有甜甜的杏仁味的化学物质，然后对小鼠的足部给予一次轻微的电击刺激。这些小鼠要在接下来的三天，每天“遭遇”5次这样的刺激，使得小鼠对苯乙酮的气味非常敏感并感觉到害怕。一旦再闻到这样的气味小鼠就会表现出受惊吓的行为，即便并没有遭受电击刺激。十天后，这些雄性小鼠与正常雌鼠交配，所生小鼠后代成年后，大多都会对苯乙酮的气味非常敏感，如果此时伴有噪音，则更易被惊吓住。即便是第三代小鼠也会出现这样的反应。三代小鼠有一个共同点，即他们鼻腔里的M71神经纤维球（M71 glomeruli）要明显大于对照组小鼠，而M71神经纤维球是一种能专门感受苯乙酮的气味并且将信号传递给大脑嗅球（olfactory bulb）的神经元。
一般来说，血糖、血脂和生育能力等方面的变化情况受很多因素的影响，很难确切得出与表观遗传调控的直接因果联系。相较之下，嗅觉恐惧实验则充分运用了已知的生物学规律和特性，即某种化学物质只能够与某个特定的受体结合，并且该受体只有一个基因编码并表达，苯乙酮和与之对应的受体基因Olfr151的使用是文章的一大亮点所在。基于目前表观遗传学领域最常见的DNA甲基化修饰研究，检测Olfr151基因DNA甲基化修饰图谱是最易进行的常规技术。而且，研究中的体外受精试验充分地排除了其它可能的遗传途径。这种获得性的“恐惧因子”正是通过精子遗传给子代。不过，仅仅用Olfr151基因的DNA甲基化改变来解释小鼠的这一获得性性状似乎难以说服一些人。
当然，这项有趣的研究结果也引起了质疑，质疑声主要表现在以下几个方面：首先，作者并没有在气味响应的神经元中检测到相关基因的DNA甲基化水平的变化，表观标记通常都是表现出组织特异性；其次，Olfr151基因的甲基化改变区域并非发生在大家通常认为的直接调控基因表达的启动子区域；再次，并非所有的子代都表现出这种“恐惧记忆”，并且精子这种生殖细胞是如何识别并整合气味信号和恐惧经历的并不清楚；此外，本项研究的统计学结果近乎完美，因此有些统计学家甚至用了“不可能完成的任务”来形容，当然也有遗传学家引用孟德尔的例子进行了反驳。表观遗传调控是极为精妙和复杂的，该研究组并没有排除其他表观遗传调控方式，例如组蛋白的甲基化、乙酰化和非编码RNA等形式。
环境压力影响所生后代的精神行为及糖代谢
来自苏黎世大学和瑞士联邦理工学院的研究小组，发表在《Nature Neuroscience》的文章称，创伤（trauma）这种“压力”能够改变雄性小鼠精子中小RNAs的表达，从而导致后代小鼠的行为（抑郁倾向）和代谢水平发生改变[25]。这种行为能影响到子三代，尽管此时雄性小鼠体内精子中的小RNAs水平已经趋于正常，这种获得性的行为或仍通过其他表观遗传的方式来遗传。该课题组之后发表在《Nature Communications》的论文中指出，在压力条件下饲养的雄性小鼠出生的后代，由于表观遗传的变化使他们会有更好的目标导向行为，这是否表明父辈早期所处的逆境环境具有某种潜在适应性的好处呢[26]？
父辈生活环境和生活方式通过表观遗传学机制影响子代健康。图片来源Science. 2014 Aug15;345(6198):756-60.(Fig 3）。
类似地，今年2月，上海交通大学医学院李小英教授课题组发表在《Cell Metabolism》的研究发现，父亲的心理应激能够通过表观遗传等机制影响子代的糖代谢，进一步证实了环境因素介导的跨代遗传调控作用[27]。
该研究以C57BL/6小鼠为动物模型，研究人员将8周龄雄性小鼠置于50毫升离心管中(Restraint stress)，每天2小时持续2周。对照组小鼠 (Control组)在此期间自由进食与活动。2周后，将所有小鼠分别与正常雌鼠交配。通过观察两组小鼠子代的糖代谢表型，发现压力组子代小鼠表现为血糖升高，肝脏糖异生和肝糖输出能力增强，而胰岛素敏感性并未改变。
在基因表达层面，压力组子代小鼠肝脏PEPCK的蛋白水平显著增加。研究人员通过MicroRNA表达谱芯片技术，进一步筛选出调节PEPCK表达的一个MicroRNA: miRNA-466b-3p，其表达水平在压力组子代小鼠肝脏中显著下调。在此基础上，研究发现经历应激压力的父辈的血清糖皮质激素水平显著升高，使得精子miRNA-466b-3p启动子区域甲基化程度的增加，并遗传至子代小鼠，导致其肝脏中miR-466b-3p的表达下调，引起PEPCK蛋白表达的增加，从而导致子代小鼠糖代谢异常。不过这项研究并未检测小鼠F2代的代谢和基因表达水平检测，也没有通过体外受精试验证实F1代的雄性小鼠精子是否具有将获得性表型继续传递的能力。这需要进一步的研究。
结语
越来越多的证据表明，在不改变遗传物质DNA序列的情况下，上一辈可以将在不良营养习惯和环境压力产生的某些获得性性状遗传给下一代，这种传递通常是通过表观遗传的方式进行的。值得注意的是，目前在哺乳动物中获得的实验数据表明，获得性性状的遗传很难像经典遗传学中的基因突变持续遗传下去，实验数据表明这种遗传很难超过三代，但是不可否认这种遗传方式具有重要意义。人们应该从这些科学研究中，认识到自身的生活饮食习惯、所处环境、心态情绪等对下一代可能造成的影响。
注释
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