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表觀遺傳學(xué):串聯(lián)先天和后天的奇妙聯(lián)系

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表觀遺傳學(xué):串聯(lián)先天和后天的奇妙聯(lián)系

表觀遺傳學(xué)真的是能夠在社會學(xué)與生物學(xué)、先天遺傳和后天行為之間架起眾所期待的橋梁學(xué)科嗎?

文|創(chuàng)瞰巴黎Agnès Vernet

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

為什么基因相同,卻表現(xiàn)出不同的性狀?根據(jù)“表觀遺傳學(xué)”的最新研究,人們發(fā)現(xiàn)環(huán)境可以影響身體內(nèi)的基因的表達(dá)。那么,什么是表觀遺傳學(xué)?表觀遺傳標(biāo)記物究竟有沒有人類代際轉(zhuǎn)移的機(jī)制?表觀遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有哪些應(yīng)用?

一覽:

  • 英國生物學(xué)家、哲學(xué)家Conrad Waddington于1942年首次提出表觀遺傳學(xué)一詞,以描述研究基因型(基因序列)和表現(xiàn)型(基因在生物體中的實際表達(dá))二者關(guān)系的學(xué)科。
  • 表觀遺傳學(xué)以兩種分子機(jī)制為基礎(chǔ):一是標(biāo)記,即使DNA活化或失活的化學(xué)變化;二是基因組結(jié)構(gòu),即DNA鏈螺旋纏繞方式。
  • 組蛋白是DNA纏繞的線軸,而正是纏繞使得DNA 分子的長度縮短 10000 倍。組蛋白也能調(diào)節(jié)基因組的表達(dá):纏繞緊密部分的基因無法讀取轉(zhuǎn)錄。
  • 對懷孕小鼠的實驗表明,精神壓力、有毒化合物、飲食等環(huán)境因素,會改變后代的表觀遺傳標(biāo)志。
  • 表觀遺傳學(xué)意味著我們可以對人性抱有更樂觀的態(tài)度:基因不能決定一切,教育和行為改變能塑造出更好的未來。

表觀遺傳學(xué)作為一門學(xué)科,熱度不斷提升,被寄予了厚望。它真的能夠在社會學(xué)與生物學(xué)、先天遺傳和后天行為之間架起眾所期待的橋梁嗎?這門學(xué)科的確充滿潛力,但我們應(yīng)首先對其樹立起清晰、理性的認(rèn)識。

表觀遺傳學(xué)的概念并不新鮮,由英國生物學(xué)家、哲學(xué)家Conrad Waddington于1942年提出,指研究基因型(基因序列)和表現(xiàn)型(基因在生物體中的實際表達(dá))二者關(guān)系的學(xué)科。Waddington早期的表觀遺傳學(xué)研究局限于胚胎發(fā)育階段,后期研究逐漸拓寬了該學(xué)科的范疇。

表觀遺傳學(xué)現(xiàn)在的定義是:研究非DNA序列變化情況下,相關(guān)性狀的遺傳信息保存并傳遞給子代的機(jī)制的學(xué)科,涵蓋了對所有基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)的研究。表觀遺傳學(xué)以兩種分子機(jī)制為基礎(chǔ):一是標(biāo)記,即使DNA活化或失活的化學(xué)變化;二是基因組結(jié)構(gòu),即DNA鏈螺旋纏繞方式,能決定負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)是否能靠近基因片段。

01 代謝也能影響基因表達(dá)

為更好地理解表觀基因?qū)W,讓我們來看一個小鼠實驗案例:兩只同胞生的小鼠,一只棕色,另一只黃色。事實上,二者毛色的差異不是由于基因堿基序列的差異,而是由于控制毛色的agouti基因的甲基化。當(dāng)agouti基因在黑色素細(xì)胞(皮膚細(xì)胞)中未甲基化或僅輕微甲基化時,該基因則會表達(dá),小鼠呈黃色。如果agouti基因被甲基化,則會被分子機(jī)制“關(guān)閉”,無法表達(dá),導(dǎo)致小鼠皮毛棕色。更有趣的是,給懷孕小鼠的飲食中添加葉酸,產(chǎn)下的黃色小鼠占比會降低。由此可見,葉酸對甲基化供體分子的合成至關(guān)重要。綜上,代謝途徑能影響表觀遺傳學(xué)。飲食等外部環(huán)境變化會引發(fā)表觀遺傳學(xué)改變。

代謝還會通過改變組蛋白影響基因組的空間結(jié)構(gòu)。組蛋白,是DNA纏繞的線軸,而正是纏繞使得DNA 分子的長度縮短 10000 倍,得以容納在細(xì)胞核中。組蛋白也能調(diào)節(jié)基因組的表達(dá):纏繞緊密部分的基因是無法讀取轉(zhuǎn)錄的,相當(dāng)于失活。為了與帶負(fù)電的 DNA 結(jié)合,組蛋白帶正電。乙?;鳛橐环N化學(xué)修飾,會改變組蛋白的總電荷,并降低其對 DNA 的親和力。由于乙?;磻?yīng)需要一種由糖和脂質(zhì)分解產(chǎn)生的分子,故構(gòu)成了代謝和基因表達(dá)之間的另一種潛在的分子級別聯(lián)系。

上述案例是否說明,只要改變飲食,就足以改變基因組表達(dá)?事實并非如此。對于大多數(shù)人而言,飲食變化對基因的調(diào)控力很小,不過胚胎是個例外——胚胎很容易發(fā)生表觀遺傳學(xué)變化,只要一個代謝信號,就會顯著影響胚胎發(fā)育。

02 待解難題

對懷孕小鼠的實驗表明,精神壓力、有毒化合物、飲食等環(huán)境因素,會改變后代的表觀遺傳標(biāo)志。人類也是如此嗎?把人類受試者當(dāng)小鼠做實驗,顯然不可能,但我們可以研究歷史上的重大災(zāi)難,間接地尋找答案。荷蘭萊頓大學(xué)的學(xué)者對經(jīng)歷過1944年荷蘭大饑荒的人群進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)他們的后代基因組都具有一種特殊的甲基化。有人認(rèn)為這是表觀遺傳學(xué)變化在人體中的實際案例,然而該觀測結(jié)果并不能證明災(zāi)難和甲基化之間的因果關(guān)系。此外,表觀遺傳標(biāo)記物究竟有沒有人類代際轉(zhuǎn)移的機(jī)制?根據(jù)現(xiàn)有的研究,配子成熟過程中標(biāo)記物會被“重置”,似乎不存在代際遺傳的機(jī)制。

另一個常見的誤區(qū)是,先天遺傳和后天行為之間存在被證實、確鑿的聯(lián)系。在這方面,最常見的研究對象是同卵雙胞胎——兩個基因組相同或幾乎相同的個體。雙胞胎隨著時間的推移發(fā)生差異,通常被歸因于廣義上環(huán)境、生活方式和人生經(jīng)歷的影響。雙胞胎真的是表觀遺傳學(xué)研究的完美模型嗎?并非如此。因為什么是遺傳、什么是后天,本身就很難區(qū)分。例如,如果一個人小時候遭受虐待,長大后虐待自己的后代,那這到底是遺傳原因還是文化原因?qū)е碌??有學(xué)者正在通過社會科學(xué)+生物學(xué)的跨學(xué)科研究尋找答案,但提出的一些結(jié)論過于草率。

03 前沿探索

表觀遺傳學(xué)熱度上升的另一個原因,是表觀遺傳標(biāo)記的可逆性。雖然目前很難使用基因療法來修改基因組,但有人提出“表觀藥物”(epidrug)或許能作用于表觀遺傳標(biāo)記,從而改變病理性的基因表現(xiàn)型。這一假想頗具吸引力,特別是對于癌癥治療:普通細(xì)胞之所以會變成腫瘤細(xì)胞,正是基因突變和表觀遺傳變化的結(jié)果。

一些制藥公司正在研發(fā)能改變表觀遺傳標(biāo)記的抑制藥物。但是,想要只改變致病標(biāo)記,不改變健康標(biāo)記,十分困難,因為二者的化學(xué)性質(zhì)相同。為克服這一難關(guān),有學(xué)者正在開發(fā)分子生物學(xué)手段,但臨床有效性驗證尚不足。

上述種種研究充分展示了表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的活躍,同時還體現(xiàn)出生物學(xué)界近年來的思維轉(zhuǎn)變:生物體的可塑性比我們先前想象的要強(qiáng)許多,基因的表達(dá)并非完全不可動搖。這意味著我們可以對人性抱有更樂觀的態(tài)度,相信教育和行為改變能塑造出更好的未來。

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。

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表觀遺傳學(xué):串聯(lián)先天和后天的奇妙聯(lián)系

表觀遺傳學(xué)真的是能夠在社會學(xué)與生物學(xué)、先天遺傳和后天行為之間架起眾所期待的橋梁學(xué)科嗎?

文|創(chuàng)瞰巴黎Agnès Vernet

編輯|Meister Xia

導(dǎo)讀

為什么基因相同,卻表現(xiàn)出不同的性狀?根據(jù)“表觀遺傳學(xué)”的最新研究,人們發(fā)現(xiàn)環(huán)境可以影響身體內(nèi)的基因的表達(dá)。那么,什么是表觀遺傳學(xué)?表觀遺傳標(biāo)記物究竟有沒有人類代際轉(zhuǎn)移的機(jī)制?表觀遺傳學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有哪些應(yīng)用?

一覽:

  • 英國生物學(xué)家、哲學(xué)家Conrad Waddington于1942年首次提出表觀遺傳學(xué)一詞,以描述研究基因型(基因序列)和表現(xiàn)型(基因在生物體中的實際表達(dá))二者關(guān)系的學(xué)科。
  • 表觀遺傳學(xué)以兩種分子機(jī)制為基礎(chǔ):一是標(biāo)記,即使DNA活化或失活的化學(xué)變化;二是基因組結(jié)構(gòu),即DNA鏈螺旋纏繞方式。
  • 組蛋白是DNA纏繞的線軸,而正是纏繞使得DNA 分子的長度縮短 10000 倍。組蛋白也能調(diào)節(jié)基因組的表達(dá):纏繞緊密部分的基因無法讀取轉(zhuǎn)錄。
  • 對懷孕小鼠的實驗表明,精神壓力、有毒化合物、飲食等環(huán)境因素,會改變后代的表觀遺傳標(biāo)志。
  • 表觀遺傳學(xué)意味著我們可以對人性抱有更樂觀的態(tài)度:基因不能決定一切,教育和行為改變能塑造出更好的未來。

表觀遺傳學(xué)作為一門學(xué)科,熱度不斷提升,被寄予了厚望。它真的能夠在社會學(xué)與生物學(xué)、先天遺傳和后天行為之間架起眾所期待的橋梁嗎?這門學(xué)科的確充滿潛力,但我們應(yīng)首先對其樹立起清晰、理性的認(rèn)識。

表觀遺傳學(xué)的概念并不新鮮,由英國生物學(xué)家、哲學(xué)家Conrad Waddington于1942年提出,指研究基因型(基因序列)和表現(xiàn)型(基因在生物體中的實際表達(dá))二者關(guān)系的學(xué)科。Waddington早期的表觀遺傳學(xué)研究局限于胚胎發(fā)育階段,后期研究逐漸拓寬了該學(xué)科的范疇。

表觀遺傳學(xué)現(xiàn)在的定義是:研究非DNA序列變化情況下,相關(guān)性狀的遺傳信息保存并傳遞給子代的機(jī)制的學(xué)科,涵蓋了對所有基因表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)的研究。表觀遺傳學(xué)以兩種分子機(jī)制為基礎(chǔ):一是標(biāo)記,即使DNA活化或失活的化學(xué)變化;二是基因組結(jié)構(gòu),即DNA鏈螺旋纏繞方式,能決定負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)是否能靠近基因片段。

01 代謝也能影響基因表達(dá)

為更好地理解表觀基因?qū)W,讓我們來看一個小鼠實驗案例:兩只同胞生的小鼠,一只棕色,另一只黃色。事實上,二者毛色的差異不是由于基因堿基序列的差異,而是由于控制毛色的agouti基因的甲基化。當(dāng)agouti基因在黑色素細(xì)胞(皮膚細(xì)胞)中未甲基化或僅輕微甲基化時,該基因則會表達(dá),小鼠呈黃色。如果agouti基因被甲基化,則會被分子機(jī)制“關(guān)閉”,無法表達(dá),導(dǎo)致小鼠皮毛棕色。更有趣的是,給懷孕小鼠的飲食中添加葉酸,產(chǎn)下的黃色小鼠占比會降低。由此可見,葉酸對甲基化供體分子的合成至關(guān)重要。綜上,代謝途徑能影響表觀遺傳學(xué)。飲食等外部環(huán)境變化會引發(fā)表觀遺傳學(xué)改變。

代謝還會通過改變組蛋白影響基因組的空間結(jié)構(gòu)。組蛋白,是DNA纏繞的線軸,而正是纏繞使得DNA 分子的長度縮短 10000 倍,得以容納在細(xì)胞核中。組蛋白也能調(diào)節(jié)基因組的表達(dá):纏繞緊密部分的基因是無法讀取轉(zhuǎn)錄的,相當(dāng)于失活。為了與帶負(fù)電的 DNA 結(jié)合,組蛋白帶正電。乙?;鳛橐环N化學(xué)修飾,會改變組蛋白的總電荷,并降低其對 DNA 的親和力。由于乙?;磻?yīng)需要一種由糖和脂質(zhì)分解產(chǎn)生的分子,故構(gòu)成了代謝和基因表達(dá)之間的另一種潛在的分子級別聯(lián)系。

上述案例是否說明,只要改變飲食,就足以改變基因組表達(dá)?事實并非如此。對于大多數(shù)人而言,飲食變化對基因的調(diào)控力很小,不過胚胎是個例外——胚胎很容易發(fā)生表觀遺傳學(xué)變化,只要一個代謝信號,就會顯著影響胚胎發(fā)育。

02 待解難題

對懷孕小鼠的實驗表明,精神壓力、有毒化合物、飲食等環(huán)境因素,會改變后代的表觀遺傳標(biāo)志。人類也是如此嗎?把人類受試者當(dāng)小鼠做實驗,顯然不可能,但我們可以研究歷史上的重大災(zāi)難,間接地尋找答案。荷蘭萊頓大學(xué)的學(xué)者對經(jīng)歷過1944年荷蘭大饑荒的人群進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)他們的后代基因組都具有一種特殊的甲基化。有人認(rèn)為這是表觀遺傳學(xué)變化在人體中的實際案例,然而該觀測結(jié)果并不能證明災(zāi)難和甲基化之間的因果關(guān)系。此外,表觀遺傳標(biāo)記物究竟有沒有人類代際轉(zhuǎn)移的機(jī)制?根據(jù)現(xiàn)有的研究,配子成熟過程中標(biāo)記物會被“重置”,似乎不存在代際遺傳的機(jī)制。

另一個常見的誤區(qū)是,先天遺傳和后天行為之間存在被證實、確鑿的聯(lián)系。在這方面,最常見的研究對象是同卵雙胞胎——兩個基因組相同或幾乎相同的個體。雙胞胎隨著時間的推移發(fā)生差異,通常被歸因于廣義上環(huán)境、生活方式和人生經(jīng)歷的影響。雙胞胎真的是表觀遺傳學(xué)研究的完美模型嗎?并非如此。因為什么是遺傳、什么是后天,本身就很難區(qū)分。例如,如果一個人小時候遭受虐待,長大后虐待自己的后代,那這到底是遺傳原因還是文化原因?qū)е碌??有學(xué)者正在通過社會科學(xué)+生物學(xué)的跨學(xué)科研究尋找答案,但提出的一些結(jié)論過于草率。

03 前沿探索

表觀遺傳學(xué)熱度上升的另一個原因,是表觀遺傳標(biāo)記的可逆性。雖然目前很難使用基因療法來修改基因組,但有人提出“表觀藥物”(epidrug)或許能作用于表觀遺傳標(biāo)記,從而改變病理性的基因表現(xiàn)型。這一假想頗具吸引力,特別是對于癌癥治療:普通細(xì)胞之所以會變成腫瘤細(xì)胞,正是基因突變和表觀遺傳變化的結(jié)果。

一些制藥公司正在研發(fā)能改變表觀遺傳標(biāo)記的抑制藥物。但是,想要只改變致病標(biāo)記,不改變健康標(biāo)記,十分困難,因為二者的化學(xué)性質(zhì)相同。為克服這一難關(guān),有學(xué)者正在開發(fā)分子生物學(xué)手段,但臨床有效性驗證尚不足。

上述種種研究充分展示了表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的活躍,同時還體現(xiàn)出生物學(xué)界近年來的思維轉(zhuǎn)變:生物體的可塑性比我們先前想象的要強(qiáng)許多,基因的表達(dá)并非完全不可動搖。這意味著我們可以對人性抱有更樂觀的態(tài)度,相信教育和行為改變能塑造出更好的未來。

本文為轉(zhuǎn)載內(nèi)容,授權(quán)事宜請聯(lián)系原著作權(quán)人。