科學(xué)家發(fā)現(xiàn)后天行為或改變基因遺傳后代
“賭徒的后代很有可能會(huì)子承父業(yè)繼續(xù)賭，父輩的壞習(xí)慣可以通過(guò)基因遺傳給后代�！边@顯然是一種有違達(dá)爾文進(jìn)化論的觀點(diǎn)。達(dá)爾文的《物種起源》告訴我們，環(huán)境對(duì)物種的作用力通常不會(huì)很快顯現(xiàn)，進(jìn)化是一個(gè)漫長(zhǎng)的自然選擇過(guò)程。
然而，瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院科學(xué)家最近宣布，后天的生活習(xí)慣、環(huán)境等多方面條件都可以對(duì)人類(lèi)的基因產(chǎn)生迅速而直接的遺傳影響。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界一石激起千層浪。長(zhǎng)期以來(lái)，生物學(xué)和遺傳學(xué)界一直爭(zhēng)論不休的恰恰是問(wèn)題的反面，即基因?qū)τ谌祟?lèi)后天行為的影響。至于后天環(huán)境、行為對(duì)基因有多大影響，則幾乎是一片未有涉足的“科學(xué)荒漠”。
瑞典科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，極端的環(huán)境條件(比如瀕臨餓死)會(huì)在人類(lèi)卵子和精子的遺傳物質(zhì)上留下深深的“印痕”，這種基因標(biāo)記會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將新特性傳遞給下一代。
當(dāng)代科學(xué)家公然挑戰(zhàn)進(jìn)化論鼻祖達(dá)爾文，孰是孰非?這篇報(bào)道將帶領(lǐng)讀者再次走進(jìn)人類(lèi)基因的神奇世界。
“荒原”上的人類(lèi)基因密碼
瑞典北部長(zhǎng)年被冰雪覆蓋，人跡罕至，而這里卻誕生了一個(gè)有關(guān)人類(lèi)基因的神秘故事。
故事發(fā)生在瑞典最北部的北博滕省，偌大的省份卻人煙稀少，人口密度只有2人/平方公里。早在19世紀(jì)，這個(gè)省就成了“被遺忘的角落”，如果趕上年份不好，人們就只有餓死的份。更惡劣的是，這里的土地仿佛和人作對(duì)似的，要么就是豐產(chǎn)豐收，要么卻是顆粒無(wú)收，結(jié)果是糧食要么多得擺幾個(gè)月宴席都吃不完，要么就是嚴(yán)冬來(lái)臨卻無(wú)米下鍋。
這一奇特的現(xiàn)象引起了瑞典斯德哥爾摩卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院(KarolinskaInstitute)拉斯·奧雷·本內(nèi)博士的關(guān)注，他想知道豐年和荒年對(duì)當(dāng)?shù)貎和挠绊�。本�?nèi)博士的研究開(kāi)始于上世紀(jì)80年代，對(duì)象不僅限于當(dāng)時(shí)的兒童，還包括他們的后代，這是個(gè)曠日經(jīng)年的課題。
本內(nèi)博士在北博滕省的奧佛卡利克斯教區(qū)，隨機(jī)選取了99名1905年出生的孩子作為研究樣本，并通過(guò)詳盡的歷史檔案追蹤溯源，把孩子的父母甚至祖父母都找了出來(lái)。之后根據(jù)本地的農(nóng)業(yè)檔案，確定了孩子的父輩和祖父輩年輕時(shí)的食物供給情況。
在搜集資料的過(guò)程中，本內(nèi)博士被一篇發(fā)表在著名醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》(1986年)上的文章深深吸引。文章認(rèn)為子宮發(fā)育不僅影響胎兒成長(zhǎng)，也影響著成年后的健康。如果孕婦營(yíng)養(yǎng)不良，孩子成年后患血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于平均水平。受到這篇頗具“異教”特色文章的啟發(fā)，本內(nèi)博士心中又升起了另一個(gè)問(wèn)號(hào)：這種影響是否早在懷孕前就開(kāi)始了?父母年輕時(shí)的經(jīng)歷是否能改變遺傳呢?
這種想法在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界真得算是“平地一聲驚雷”。長(zhǎng)期以來(lái)，DNA不會(huì)在后天被改變的理論統(tǒng)治著主流生物學(xué)界。不管我們選擇如何過(guò)完這一生，發(fā)胖也好，長(zhǎng)期“亞健康”也好，都不會(huì)改變我們的基因——人類(lèi)的“種子”，當(dāng)下一代出生后，父輩的一切就被涂抹殆盡。
更為重要的是，達(dá)爾文的《物種起源》早已深入人心。環(huán)境對(duì)物種的作用力通常不會(huì)很快顯現(xiàn)，進(jìn)化是個(gè)歷經(jīng)數(shù)代數(shù)百萬(wàn)年的自然選擇過(guò)程。但是本內(nèi)和其他科學(xué)家搜集的大量歷史數(shù)據(jù)卻顯示，極端的環(huán)境條件(比如瀕臨餓死)會(huì)在人類(lèi)卵子和精子的遺傳物質(zhì)上留下深深的“印痕”，這種基因標(biāo)記會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將新特性傳遞給接下來(lái)的一代。
根據(jù)本內(nèi)的研究，奧佛卡利克斯教區(qū)那些趕上豐年的男孩子們，不論他們是正常飲食，還是暴飲暴食，其兒孫輩的壽命卻意外變短了。和經(jīng)歷荒年的男孩后代相比，平均壽命要減少6年之多。再加上社會(huì)經(jīng)濟(jì)變化因素的影響，壽命差距竟然上升至32年。本內(nèi)的這項(xiàng)研究成果發(fā)表在2001年荷蘭的《生物技術(shù)學(xué)報(bào)》上，他在文中援引了同事提供的該省其他地區(qū)的資料，顯示這種狀況對(duì)于女孩也適用。簡(jiǎn)而言之，經(jīng)歷過(guò)豐年衣食無(wú)憂的年輕人，產(chǎn)生了類(lèi)似生物鏈的效應(yīng)：他們的后代卻要比他們?cè)缡艓资�。這可能嗎?
基因是“硬件”，外基因是“軟件”
要想知道問(wèn)題的答案，就不能單單從自然環(huán)境和后天養(yǎng)育入手。本內(nèi)和同事歷經(jīng)20載春秋，催生了一門(mén)新的學(xué)科——實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)(epigenetics)。它的研究核心就是基因活性的變化，在不改變遺傳密碼的前提下，這種變化是如何被成功“植入”子女一代的。
他們認(rèn)為，基因表達(dá)模式受到一種名叫“外基因”的細(xì)胞物質(zhì)的控制。這里所謂的“外基因”，位置排在基因之外，因而其英文對(duì)等字是在“基因”genetic加上了表示“在……之上”的前綴epi。正是這些外基因的“標(biāo)記”，發(fā)出指令，控制著我們的基因開(kāi)關(guān)。外部刺激就是通過(guò)外基因標(biāo)記(epigeneticmarks)作用于基因，因此環(huán)境等后天因素，比如飲食、壓力、孕期營(yíng)養(yǎng)等，就會(huì)對(duì)子女一代產(chǎn)生影響。
實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)傳遞出的信息，讓人喜憂參半。憂的是，吸煙，暴飲暴食等壞習(xí)慣會(huì)改變DNA之外的外基因標(biāo)記，使得肥胖基因占據(jù)主導(dǎo)地位，而長(zhǎng)壽基因則退居末位。以前大家都知道抽煙或者肥胖無(wú)法讓人活個(gè)大歲數(shù)，而現(xiàn)在人們卻突然發(fā)現(xiàn)，這些不良習(xí)慣甚至?xí)白优�，增加他們的患病率和早逝風(fēng)險(xiǎn)。即使寶寶尚未出生，這些仿佛已經(jīng)被“命中注定”了。
不過(guò)人類(lèi)向來(lái)相信“與天斗，其樂(lè)無(wú)窮”，外基因一經(jīng)“出世”，科學(xué)家就開(kāi)始嘗試控制外基因標(biāo)記，開(kāi)發(fā)一種能抑制壞基因，激活好基因的藥物。2004年，美國(guó)食品及藥品管理局(FDA)首次批準(zhǔn)了一種外基因藥物——氮雜胞苷(Azacitidine)，用于治療骨髓增生異常綜合征。該藥通過(guò)外基因標(biāo)記不斷激活血液母細(xì)胞基因，提高該組基因的主導(dǎo)地位。據(jù)總部設(shè)在新澤西州的Celgene公司介紹，MDS重癥患者服用氮雜胞苷后，平均能多活兩年，而采用傳統(tǒng)療法的患者，存活期只有15個(gè)月。
對(duì)于進(jìn)行中的外基因研究，最理想的成果就是只要輕觸“生化按鈕”，就能賦予基因一雙慧眼，自行抵抗疾病的入侵。到那時(shí)，什么癌癥、精神分裂癥、孤獨(dú)癥、老年癡呆癥、糖尿病等疑難雜癥，統(tǒng)統(tǒng)靠邊站——讓壞基因去冬眠吧!最終，人類(lèi)就有了自己的王牌，可以叫板達(dá)爾文的進(jìn)化論!
最近，科學(xué)家進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的妙用。利用這個(gè)新式“解碼器”，許多傳統(tǒng)遺傳學(xué)不能解釋的科學(xué)奧秘，就此得到了破解。比如為什么同卵雙胞胎，一個(gè)有燥郁癥或者哮喘，而另一個(gè)卻若無(wú)其事?為什么患孤獨(dú)癥的男孩數(shù)量是女孩的四倍呢?為什么在北博滕省父輩飲食的兩極分化也會(huì)導(dǎo)致子女壽命發(fā)生巨大變化呢?以上種種，基因或許都相同，但顯然基因表達(dá)模式發(fā)生了偏差。
打個(gè)比方吧，如果基因是硬件，那么外基因就是軟件。只要用戶愿意，完全可以在蘋(píng)果機(jī)上安裝Windows。盡管“心”還是原來(lái)的芯，就好比基因都相同，但由于選擇了不同的軟件，操作模式也就變得兩樣了。
基因也許會(huì)在幾代之內(nèi)生變
19世紀(jì)瑞典最北部的北博滕省豐年和荒年的交替出現(xiàn)，導(dǎo)致了該地區(qū)人口外基因的改變，這點(diǎn)早在2000年初似乎已經(jīng)被“圈內(nèi)人”接受。而一直困擾本內(nèi)博士的問(wèn)題是這種改變是如何進(jìn)行的，一次他偶然看到一篇發(fā)表于1996年的文章，謎底才逐漸變得觸手可及了。這篇文章由倫敦大學(xué)著名遺傳學(xué)家馬庫(kù)斯·彭布雷博士撰寫(xiě)，盡管有些晦澀，卻成了本內(nèi)眼中的“啟明星”。
雖然彭布雷博士的這篇論文在當(dāng)下已經(jīng)榮升為實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)上的一份開(kāi)山之作，但在完成之初卻是處處碰壁，主流學(xué)術(shù)期刊都拒絕發(fā)表，好不容易才在一份名不見(jiàn)經(jīng)傳的意大利學(xué)術(shù)期刊上找到了落腳點(diǎn)。彭布雷本人是一名堅(jiān)定的進(jìn)化論支持者，但在這篇論文里卻用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的觀點(diǎn)對(duì)達(dá)爾文提出了質(zhì)疑——如果工業(yè)時(shí)代來(lái)自環(huán)境和社會(huì)變革的壓力越來(lái)越大，進(jìn)而迫使進(jìn)化要求迅速做出反應(yīng)，情況會(huì)如何?而如果基因順應(yīng)了進(jìn)化的需求，則不需要經(jīng)歷數(shù)百年或數(shù)代人，也許幾代之內(nèi)就會(huì)發(fā)生改變，情況又會(huì)如何?
進(jìn)化過(guò)程被縮短，就意味著基因本身并沒(méi)有充足的時(shí)間進(jìn)行變化。彭布雷博士因此就推測(cè)，外基因標(biāo)記可能會(huì)有所調(diào)整。但他不知道如何去驗(yàn)證這一偉大的設(shè)想，于是論文發(fā)表后，就被束之高閣了。直到2000年5月，他意外地收到了“陌生人”本內(nèi)的一封電子郵件，本內(nèi)向他透露了自己的團(tuán)隊(duì)在奧佛卡利克斯地區(qū)進(jìn)行的調(diào)查。很快兩人便一見(jiàn)如故，惺惺相惜，著手討論搭建新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，一同探尋“荒原”的奧妙所在。
二人深知，探尋答案的第一步，起碼得重現(xiàn)當(dāng)年奧佛卡利克斯的環(huán)境。問(wèn)題是有誰(shuí)愿意充當(dāng)這樣的志愿者呢——一組食不果腹，另一組卻暴飲暴食;更沒(méi)有人愿意為此等個(gè)60年。巧的是，彭布雷有權(quán)享用另一組寶貴的遺傳數(shù)據(jù)庫(kù)資源——英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的父母與孩子埃文縱向研究(ALSPAC)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)建人簡(jiǎn)·戈?duì)柖∈桥聿祭椎呐笥眩?qǐng)他長(zhǎng)期擔(dān)任董事會(huì)成員。ALSPAC的研究對(duì)象是1991-1992年出生的孩子和其父母，項(xiàng)目共招募了14024名孕婦——其中70都來(lái)自布里斯托爾地區(qū)。
環(huán)境因素沿父系一代遺傳
自ALSPAC項(xiàng)目成立后，志愿者(家長(zhǎng)和孩子)每年都要接受全面的醫(yī)學(xué)測(cè)試和心理測(cè)試。湯姆·吉布斯便是其中之一，項(xiàng)目成立之初，他還是個(gè)小嬰兒，現(xiàn)在都17歲了，是個(gè)棒小伙。經(jīng)醫(yī)生測(cè)量，他身高178厘米，左大腿骨的骨密度為1.3克/平方厘米，高于平均水平。
項(xiàng)目所做的這些數(shù)據(jù)采集，就是為了揭示個(gè)人基因類(lèi)型和環(huán)境壓力相結(jié)合后，對(duì)健康和發(fā)育的影響。借由這些數(shù)據(jù)，研究人員得到不少重要結(jié)論，比如目前對(duì)花生過(guò)敏的人群數(shù)量不斷上升，含花生油的嬰兒潤(rùn)膚露可能難脫干系;孩子得了哮喘，與母親懷孕期間的高度焦慮有關(guān);養(yǎng)育環(huán)境過(guò)分干凈的小孩患濕疹風(fēng)險(xiǎn)較高等等。
彭布雷、本內(nèi)和戈?duì)柖∪寺?lián)手，利用這些數(shù)據(jù)，于2006年在《歐洲人類(lèi)基因?qū)W雜志》上發(fā)表了一篇論文，堪稱(chēng)迄今為止外基因研究領(lǐng)域里最有突破性的論文。文章顯示，在14024名接受研究的父親中，有166名承認(rèn)他們11歲之前，即青春發(fā)育期前，就開(kāi)始吸煙了。男孩在青春期以前，由于體內(nèi)還無(wú)法形成精子，雄性基因遺傳就沒(méi)有顯現(xiàn)(女孩則不同，她們的卵子與生俱來(lái))。于是男性青春期前后就成了外基因改變的重要階段——如果環(huán)境想在Y染色體的基因組留下外基因標(biāo)記，還有什么比精子初次形成時(shí)候更好的時(shí)機(jī)呢?
三人仔細(xì)研究了166名“老煙民”兒子的資料，發(fā)現(xiàn)他們9歲前的體重指數(shù)要明顯高于其他同齡孩子。這也意味著他們成年后，肥胖和其他健康問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)要高于其他人，相應(yīng)的壽命也非常有可能被縮短了。他們的命運(yùn)和奧佛卡利克斯地區(qū)“暴飲暴食族”的后代何其相似!
據(jù)此，三人得出結(jié)論，ALSPAC和奧佛卡利克斯數(shù)據(jù)在發(fā)育敏感期和性別特性方面的一致性，印證了他們的假想，即祖先環(huán)境因素會(huì)以某種方式沿父系一代遺傳。換句話說(shuō)，即使你在10歲那年曾做過(guò)的蠢事，都有可能改變外基因。如果從那時(shí)起就開(kāi)始吸煙，你不僅犯了一個(gè)醫(yī)學(xué)錯(cuò)誤，更要命的是，還會(huì)殃及你的子女。
人類(lèi)基因在受到環(huán)境壓力后會(huì)作出生物應(yīng)急反應(yīng)，這種反應(yīng)能延續(xù)很多代。
“外基因”改“命定”
如果基因是人的“先天命定”，那么，“外基因”可以改變這種“先天命定”。
實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)聽(tīng)起來(lái)博大精深，它的原理聽(tīng)上去卻很簡(jiǎn)單。達(dá)爾文告訴我們基因進(jìn)化需歷經(jīng)數(shù)代，而研究人員發(fā)現(xiàn)只要增加一組甲基，就能改變外基因。甲基是有機(jī)化學(xué)的基本單位——一個(gè)碳原子連接三個(gè)氫原子。甲基附加到基因上某個(gè)特殊點(diǎn)的過(guò)程，稱(chēng)為DNA甲基化。
DNA甲基化具有改變生物物理特性的重要功能，早在20世紀(jì)70年代就曾有人提出。但直到2003年，美國(guó)杜克大學(xué)的腫瘤專(zhuān)家蘭迪·朱特爾和博士后在修生羅伯特·沃特蘭撩開(kāi)了DNA甲基化的神秘面紗，人們才有幸一睹芳容，無(wú)不為之驚嘆。
外基因不改變DNA結(jié)構(gòu)
當(dāng)年，他們用刺豚鼠做實(shí)驗(yàn)，這種老鼠擁有獨(dú)特的基因，可以產(chǎn)生黃色的皮毛，但患肥胖癥和糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。在第一組懷孕老鼠的飲食中，研究人員特別添加了維生素B(葉酸和B12)，而第二組基因完全一致的懷孕刺鼠，沒(méi)有如此優(yōu)待，飲食與平日無(wú)異。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一組媽媽產(chǎn)下的鼠寶寶身體健康，體毛和體重都很正常，但卻遠(yuǎn)離了糖尿病的威脅。個(gè)中奧妙在于，維生素B扮演了甲基捐贈(zèng)人的角色，甲基附著在刺豚鼠基因之外，改變了基因表達(dá)模式，這一過(guò)程并沒(méi)有改變老鼠的DNA結(jié)構(gòu)。
類(lèi)似實(shí)驗(yàn)結(jié)果不勝枚舉。比如說(shuō)，果蠅接觸格爾德霉素后，眼睛上就會(huì)長(zhǎng)出一個(gè)不同尋常的瘤，這種變異現(xiàn)象至少會(huì)遺傳到第13代(第2代到第13代，都沒(méi)有直接接觸這種藥物)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)先鋒伊娃·雅布龍卡和特拉維夫大學(xué)學(xué)者戈?duì)枴ち衅?009年發(fā)表在《美國(guó)生物學(xué)季刊》的論文數(shù)據(jù)顯示，蛔蟲(chóng)在喂食了某一種細(xì)菌后，會(huì)呈現(xiàn)出矮矮胖胖的外貌特征，同時(shí)體內(nèi)的綠色熒光蛋白也消失了。他們一共列舉了100種外基因遺傳的例證。
外基因改變是否會(huì)一直持續(xù)呢?或許會(huì)吧。但是我們要牢記外基因不是進(jìn)化。它不會(huì)改變DNA結(jié)構(gòu)。外基因改變是人類(lèi)基因在受到環(huán)境壓力后所做出的生物應(yīng)急反應(yīng)，這種反應(yīng)經(jīng)外基因標(biāo)記，能延續(xù)很多代。一旦環(huán)境壓力等后天因素被消除后，外基因標(biāo)記將逐步消減，而DNA密碼歷經(jīng)時(shí)間變遷后，又重新回到原來(lái)的軌道，也就回到了問(wèn)題的原點(diǎn)：只有經(jīng)過(guò)自然選擇，基因才會(huì)發(fā)生質(zhì)的改變。
外基因能量不容小覷
雖然外基因不能實(shí)現(xiàn)永久遺傳，但其能量卻不容小覷。2009年2月，《神經(jīng)學(xué)科雜志》刊發(fā)了一篇論文，指出即使如記憶那般復(fù)雜的生理心理過(guò)程，通過(guò)外基因，也會(huì)出現(xiàn)“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”的進(jìn)步。鼠類(lèi)實(shí)驗(yàn)證明，借助外基因干預(yù)，一群患有基因型記憶障礙的小老鼠，其LTP值(長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng);一種重要的神經(jīng)傳遞形式，記憶形成的關(guān)鍵)得到了顯著增強(qiáng)。至于它們的后代，即使沒(méi)有受到任何這方面的干預(yù)，記憶力也顯著增強(qiáng)了。
這就很好地解釋了為什么科學(xué)家對(duì)外基因如此情有獨(dú)鐘。科普作家戴維·申克在其即將發(fā)行的新書(shū)《我們都是天才，是什么誤導(dǎo)了我們?》中寫(xiě)到：實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)就是一名稱(chēng)職的引座員，“先天與后天之爭(zhēng)”因?yàn)橥饣蚨@得蒼白無(wú)力。他給予外基因相當(dāng)高的評(píng)價(jià)，稱(chēng)其“或許是遺傳學(xué)自發(fā)現(xiàn)基因后，另一項(xiàng)最重要的發(fā)現(xiàn)”。
達(dá)爾文之前，以拉馬克·詹·巴帕梯斯特為代表的早期自然主義者，曾認(rèn)為進(jìn)化有可能發(fā)生在一兩代之內(nèi)。由于環(huán)境因素和選擇傾向，動(dòng)物們終生都在與時(shí)俱進(jìn)。最有名的一個(gè)例子就是長(zhǎng)頸鹿脖子如此長(zhǎng)，是因?yàn)樗鼈兊南茸鏋榱藟蛑咛帬I(yíng)養(yǎng)豐富的樹(shù)葉。
相反，達(dá)爾文認(rèn)為進(jìn)化不是出自物種改善條件的良好愿望，而是殘酷的，公平的自然選擇結(jié)果。據(jù)此，長(zhǎng)頸鹿幾千年來(lái)的長(zhǎng)脖子，是由于長(zhǎng)脖子基因在漫長(zhǎng)的演變過(guò)程中，逐漸占據(jù)上風(fēng)。達(dá)爾文要比拉馬克足足小了84歲，以現(xiàn)今的眼光絕對(duì)是“年富力強(qiáng)”，最終達(dá)爾文贏得了勝利。不過(guò)，隨著實(shí)驗(yàn)胚胎學(xué)的建立與深入發(fā)展，我們不得不重新審視拉馬克當(dāng)年迸發(fā)的思想火花了。
