后天性状可经由 small RNAs 遗传

哥伦比亚大学医学中心(CUMC)研究者发现了首个直接证据:一个后天性状(acquired trait,后天获得的遗传性状)可在没有任何 DNA 涉入的情况下经由遗传获得。这些发现指出,拉马克(Lamarck,法国著名动物学家,提出用进废退说) — 其演化理论被达尔文的吞噬了 — 也许不尽然都是错的。该研究预计出现在 12/9 当期的 Cell 上。

“在我们的研究中,对某种病毒发展出抗性的圆虫(roundworms)也许能将那种免疫力传递给它们连续好几代的后代,” 第一作者 Oded Rechavi博士是哥大医学中心生物化学与分子生物物理学副研究科学家,他表示“这种免疫力是以一种称为 viRNAs 的小病毒性静默因子(small viral-silencing agents)的形态传递的,运作独立于生物体的基因组。”

在一项早期的演化理论中,拉马克(Jean Baptiste Larmarck, 1744-1829)提出,当个体适应其环境且将那些后天性状传给他们的后代时,物种出现演化。例如,当长颈鹿伸长脖子吃高耸树木上的叶子时,它们发展出优雅的长颈,这种后天优势就由后代继承。达尔文(Charles Darwin, 1809-1882)的理论则刚好相反,他提出随机突变提供生物体某种竞争优势驱动物种的演化。在长颈鹿的例子中,某些个体碰巧出现稍微长一点的颈子,有比较好的机会确保粮食无虞也因此能够有更多后代。后来遗传基因的发现支持达尔文的理论,而拉马克的想法逐渐遭到抛弃。

然而,某些证据指出,后天性状可被遗传。“经典的例子是,二次大战的荷兰饥荒,”Dr. Rechavi说,“在饥荒期间生产的饥饿母亲,其孩子对于肥胖以及其他代谢失调更为敏感 — 他们的孙子也一样。” 受控制的实验已证明相似结果,包括最近一项针对大鼠的研究,证明父亲长期的高脂肪饮食会导致其雌性后代肥胖。

根据研究领导者 Oliver Hobert, PhD(生物化学与分子生物物理学教授,以及 CUMC Howard Hughes 医学研究所研究者)表示,不管怎样,拉马克式遗传(Lamarckian inheritance)仍有争议,而且没人能描述一种可信的生物学机制。

Dr. Hobert 怀疑,RNA 干扰(RNAi)也许涉及后天性状的遗传。RNAi 是一种天然的过程,细胞用以下调(turn down)或静默(silence)特定基因。生物体经常用它来击退病毒与其它基因组寄生物。RNAi 透过摧毁 mRNA (这种分子传讯者将编码在基因中的资讯携往细胞的蛋白质制造机器)而产生作用。没有了 mRNA,基因实质上是钝化的。

RNAi 是由双股 RNA(doubled-stranded RNA,dsRNA)所触发,那在健康的细胞内找不到。当 dsRNA 分子(例如,来自一只病毒)进入细胞时,它们会被切成小片段,那引导细胞的 RNAi 机器去寻找与该片段遗传序列相符的 mRNAs。该机器接着使这些 mRNAs 降解,有效摧毁它们的讯息,并使相应基因静默。

RNAi 亦能藉由服用外源性(exogenous)dsRNA 而人为触发。有趣的是,由此产生的基因静默不仅发生在已接受治疗的动物身上,其后代也一样。然而,我们仍不清楚这种效应是否起因于 RNAs 的遗传或是生物体的基因组内发生了变化 — 也不晓得这种效应是否有任何生物学相关性。

为了更进一步探究这些现象,CUMC 研究者将目标转向圆虫(即 C. elegans,秀丽隐杆线虫)。这种圆虫有种不寻常的抗病毒能力,靠得是 RNAi。

在目前的研究中,研究者以 Flock House 病毒(唯一已知会感染圆虫的病毒)去感染圆虫,接着养育它们的方式会“使某些后代有无作用(nonfunctional)RNAi 机器”。当这些后代暴露于病毒时,它们仍可防御它们自己。“我们追踪这些虫超过 100 代 — 将近一年 — 而此效应仍然存在,”Dr. Rechavi 表示。

这些实验经过设计,故这些虫无法透过基因突变而获得病毒抗性。研究者下结论表示,击退病毒的能力是以小病毒性 RNA 分子的形态被“记下来”,那接着在体细胞内传给下一代,不单只透过生殖细胞系。

根据 CUMC 研究者表示,拉马克式遗传也许提供适应性优势予某种动物。“有时候,生物体不要表现某种基因反而有益,” Dr. Hobert 解释。“古典的、达尔文的方式,是透过突变而发生,故在接下来几代,基因不是在每个细胞内就是在某种特定细胞类型内被静默。然而这(下面所述)显然更常发生,你可以想像一下情节:在其中,某种生物体也许要留下基因会更具优势,并只有当遭遇特定威胁挑战时,才将静默此基因的能力传下去。我们的研究证明,这可以用一种全新的方式办到:透过传输染色体外的资讯。这种方式的美妙之处在于那是可逆的。”

任何属于这些发现的治疗性影响都言之过早,Dr. Rechavi 补充。“RNAi 机器的基本成份遍及整个动物界,包括人类。虫有额外的成份,赋予它们更强的 RNAi 反应。理论上来说,如果该成份能被合并到人类身上,那么我们或能改善我们的免疫力甚至是我们小孩的免疫力。”

哥大医学中心团队目前正在检查是否有其他性状也透过 small RNAs 遗传。“在一项实验中,我们正要在培养皿中复制荷兰饥荒,” Dr. Rechavi 表示。“我们正要使虫子挨饿,并看看是否因为饥荒,我们能够看见 small RNAs 产生,并传给下一代。”

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