先天与后天
科学家们近年来一直在研究饮食习惯、生活方式和外界环境是怎样对我们的基因造成影响的。这一研究也许会颠覆迄今为止我们对于进化论的理解。
1953年，DNA双螺旋结构的发现使弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森这两个名字变得家喻户晓，同时，这个发现还奠定了我们对生物特性是如何代代相传的了解。但DNA或者说是基因组，并不是故事的全部。
从20世纪70年代开始，“表观基因组”这个角色得到了前所未有的关注。表观基因组是指由环境和饮食等因素所引起的、对DNA和其周围蛋白质所进行的微小化学修饰。通过对这些修饰的研究，我们得到了一些非常惊人的结论：你从你母亲的DNA那里继承到的绿眼睛或者是黑皮肤，可能跟当初你外婆抚养她的方式有直接的关系。
表观遗传修饰
表观遗传修饰是如何在我们的DNA结构中起作用，并将其遗传给我们的后代的呢？
我们细胞中的DNA并非是一个又长又直的分子，相反的是，它是环绕在一种名为组蛋白的蛋白质四周的螺旋形结构。DNA包绕着一个由八个组蛋白组成的蛋白质结构，续行一段之后又包绕另一个组蛋白团体。这样的进程在一个细胞中要重复数百万次，通过这种方式，才将我们近2米长的DNA全部叠装在直径只有零点几微米的细胞核中。
当一个细胞接收到了来自环境的信号后，DNA和组蛋白同时也会受到微小的化学修饰，这种能够调节DNA表达的行为就是表观遗传修饰。自然界中存在着种类巨多的修饰作用，尤其是针对组蛋白的修饰。而这些修饰的作用和位置，其排列和组合往往复杂到让人眼花缭乱，因此也造成了基因表达拥有极高的灵活性。又因为细胞在分裂时会将这种表观遗传修饰传递给它的子细胞，所以这种对基因表达的影响也会一直延续下去。
生长发育的奇妙之旅始于一个拥有无限潜能和无限结局的细胞，而对人类而言，大量的这种细胞都将分化成某种特定的形态。几十年前，还没人知道细胞分化和DNA之间有什么联系。曾经有那么一个假说：细胞分化时会将它们不需要的DNA给“扔掉”。举个例子来说，神经细胞会“丢掉”编码血红蛋白的基因，因为血红蛋白是存在于血液中携带氧气的组织;又例如肝细胞会“丢掉”编码角蛋白的基因，因为肝细胞并不需要角蛋白。
直到20世纪70年代，曾经在英国牛津大学后来又到剑桥大学工作的约翰·格登教授才通过实验否定了这一猜想。他将蛙卵的细胞核替换为成年青蛙的细胞核，再对蛙卵进行培养，结果蛙卵变成了蝌蚪，并最终变成了一只完整的青蛙。这说明个体不同部位的细胞所含的DNA并没有任何不同。1996年，苏格兰罗斯林研究所的伊恩·威尔穆特和基思·坎贝尔与他们的同事一起利用一只绵羊的乳腺细胞克隆出了绵羊多利，证明了格登教授的发现在哺乳动物身上也同样适用。
2012年，格登教授因为他的发现获得了诺贝尔奖。在他那项发现之后的几十年间，研究者们在对表观遗传现象背后机制的研究上取得了巨大的进步。这些机制的实现有赖于DNA的微小化学修饰，此外，一种特定的蛋白——组蛋白也跟我们的遗传物质息息相关。这些化学修饰被称为表观遗传修饰。
数百种不同的酶能增加或去除基因组在不同位置上发生的表观遗传修饰作用，而数百种不同的蛋白质又能将这些修饰组合进行绑定，并最终改变原来的基因组。这些表观遗传修饰会受环境刺激影响，还可以让我们的细胞去适应那些基因表达所发生的改变。因此表观遗传为我们提供了沟通起先天（基因组）与后天（环境）之间的桥梁。
一些表观遗传与生物幼年时候的环境有关，例如早期妊娠期。这一具体例子发生在第二次世界大战末期的荷兰。这个国家的某些地方遭受了灾难性的食物短缺，有好几个月的时间，人们每天的卡路里摄入量还不到正常水平的40%，这段时间后来被称为“饥饿严冬”。在这段时间内怀孕的婴儿出生时都表现得很正常，但随着年龄逐渐增大，他们开始呈现出高于常人的患成人肥胖和2型糖尿病的概率。这是由于他们的基因在怀孕早期就被表观地修改了，这样才能保证他们在当时匮乏的物资水平下尽可能多地利用所有的资源活下去。如果饥荒持续下去，这样的改变倒不失为一个好处，但在物资充沛的现今社会，这样的表观遗传改变就成了一个非常棘手的问题。
表观遗传学提供了研究成人疾病在胚胎时期或幼年起源的一个新方法，例如从20世纪90年代初就开始展开的，现在规模达到约1.5万个家庭的埃文亲子纵向研究发现，童年时遭到虐待的孩子在长大后心理健康都会受到不同程度的负面影响。
我们都知道遗传信息通过父母传递给他们的子女，但表观遗传信息是否也是如此传递的呢？20世纪80年代，剑桥大学的阿奇姆·苏尼拉教授的研究证明了这个猜想。事实上，对于哺乳动物来说，一次成功的繁殖必须要有适当的来自父母双方的表观遗传修饰。通过对大鼠进行的体外受精实验，苏尼拉发现只有当一个卵细胞和一个精子的细胞核融合之后，动物才可能被生出来。没有动物能在两个卵细胞核融合或者两个精子细胞核融合的情况下出生并存活，虽然从基因水平上来说以上三种情况并没有任何差别。
后代总是倾向于看起来更像它们的父母，以此来说明它们继承了父母的表观遗传信息，但现实并不总是恰如人意：一些幼鼠跟它们的父母长得很不一样，这说明我们对于表观遗传信息传递方法的了解还是很模糊。后代外貌发生变化的比重跟环境刺激也有很大关系，例如给雌鼠饮酒等。
通过对这些老鼠的研究表明，表观遗传信息既能通过父母遗传给子女，又会受到环境因素的影响。这就引出了下一个问题：受到环境因素影响而产生的表观调节是否能通过父母遗传给子女呢？
经典的达尔文进化论也许会说当然不行。事实上这个问题更像是达尔文的主要竞争对手，19世纪法国博物学家让-巴蒂斯特·拉马克提出的“生物能把后天获得的特征遗传给子女”理论。可如今，原来那套达尔文进化论经典的理论越来越面临着威胁了：荷兰饥饿严冬的受试者们出现了一系列的适应症，例如，经历了童年饥荒而产生的代谢缺陷问题现在被发现也会遗传给后代。
不幸的是，要想把遗传、表观遗传和环境因素在人类身上产生的影响完全区分开来是非常困难的。为了取得更加确信的证据，研究者们又一次将目光投向了啮齿动物。
许多研究都表明，当雄性啮齿动物出现营养不良时，它们的后代也会出现新陈代谢障碍。但另一项利用恐惧适应原理来进行的实验更是让研究者们大吃一惊。雄性小鼠通过一些特定的训练后会将特定的味道和电击联系到一起，当再次把它的后代小鼠暴露在只有这种气味的环境下，也足够使这些小鼠“闻味丧胆”。通过对这些小鼠的后代进行试验，研究者发现它们也跟自己的父辈一样害怕这种味道，即使这些小鼠从未受过电击。这些小鼠同它们倍受精神创伤的父辈们一样，脑子里的某些关键基因也受到了同样的表观遗传修饰。
这是否意味着达尔文生物进化论模型就完全错误了呢？当然不是，即使现在很多表观遗传学家都喜欢把自己比作是新时代的拉马克，但达尔文的进化论模型依然是生物进化学中不可或缺的理论。大多数情况下，精子和卵细胞都能抵御由环境影响带来的表观遗传变异，但相对地一些已经建立起来的修饰作用也很有可能会传递给下一代。即使是这样，这些修饰和它们所产生的影响也基本上会在几代之后消失掉。这就是我们所推测的，表观遗传性改变从本质上来说是非常不稳定的。
这种表观遗传信息的逐代传递可能会给生物带来一些短期的适应性效益：既能让它们以此来抵御暂时的环境变化，又不会改变它们传承了数千年的潜在基因序列。这种后天获得性遗传在某些情况下的确会发生，但却不太可能在长期的自然选择中占主要的作用。
尽管如此，仍存在着越来越多的顺理成章的趋势来“责怪”表观遗传，因为它所带来的一些现存问题，尤其是对它所带来的人类肥胖症的流行。尽管这个研究结果听起来那么娓娓动听，但它却决不是我们逃避问题的借口。对你的身体健康来说最重要的因素还是此时此刻你的生活习惯：不会有人在2016年的今天长胖而只是因为他的爷爷在1960年喜欢吃糖！
作者：曾洁
来源：《大自然探索》
