拉马克的逆袭:用进废退学说的在表观遗传学中兴起

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所属分类:Genomics

拉马克的逆袭:可遗传的环境印记

拉马克是进化论的先驱,他于1809年发表的《动物哲学》一书中描述了长颈鹿的进化。他认为长颈鹿因为要伸长脖子才能吃到高处的绿叶,“结果……这种动物的前腿变得比后腿长,而它的脖子也变得特别长,以至于长颈鹿不需要靠后腿跳跃……达到六米的高度。”

还记得我们的生物课本对拉马克一带而过,将重点放在达尔文理论上。如今的生物学家们普遍对拉马克当年的理论嗤之以鼻,但近来表观遗传学研究的快速发展也使一些科学家开始反思拉马克的观点。当然,现在没人会认为生物能够根据环境有意识的改变自己的生理机能,还把这些改变遗传给下一代。不过有越来越多的证据表明,环境能够通过表观遗传学机制对基因组做出永久性的改变,而这些改变可以在世代间遗传下去。

表观遗传学:基因组的守卫

从组蛋白的化学修饰(乙酰化或甲基化)到DNA的修饰都属于表观遗传学改变。这样的改变通常会限制RNA聚合酶II的转录复合体与DNA结合,从而减少信使RNA与蛋白的产量。表观遗传学被看成是对基因组的注释或编辑,以便沉默特定基因,控制蛋白合成,避免不必要的蛋白冗余。人们曾经认为这种注释不会也不能永久改写DNA。

就在表观遗传学逐渐为广大科学界所接受时,科学家们发现了表观遗传学的跨代遗传现象。人们在小鼠、线虫和猪的研究中都发现表观遗传学改变可以传递到下一代。

2008年科学家对荷兰出生于1944–1945冬季饥荒时期的人进行了研究,提出人类表观遗传学改变也有能遗传的可能性。研究显示,在饥荒年间出生的成年人携带有独特的表观遗传学标志,而其在饥荒前后出生的兄弟姐妹体内却均不含这样的标志。上述表观遗传学改变减少了胰岛素样生长因子IGF2的合成,而这种改变在人体中保持了数十年。当然,该现象可能是由表观遗传学跨代遗传造成的,也可能是因为饥荒条件下子宫内发生了改变。因此,人类中是否也存在表观遗传学的跨代遗传现象还需要进一步的明确证据。

不过目前已经有强有力的证据表明,模式生物中的表观遗传学修饰可以跨代遗传。举例来讲,在一项小鼠研究中,研究人员发现环境压力使雄性鼠产生攻击性行为,并且其后代也遗传了同样的行为。值得注意的是,这些子代小鼠体内特定基因的DNA甲基化模式发生了改变。这类研究都支持了一种观点,即环境的选择性压力会通过表观遗传学影响DNA并传递给子细胞及后代。

lncRNA与表观遗传学修饰

科学家们已经对基因组中的表观遗传学修饰进行了广泛的研究,不过人们还不清楚表观遗传学修饰是如何指向目标位点的。细胞和生物面临的压力不同,表观遗传学修饰的位点也不同,显然有某种物质负责指引表观遗传学修饰。有研究提出,这一物质就是长非编码RNA(lncRNA),它介导了表观遗传学修饰及其跨代遗传的现象。

长非编码RNA一般是由不编码蛋白的“垃圾”DNA产生的转录本。在细胞内lncRNA的丰度约占到70%至98%,有些甚至长达几千bp。短非编码RNA(如干涉性RNA)能够剪切细胞质中的mRNA来使基因沉默。而lncRNA则不同,在DNA复制叉处生成转录本时,lncRNA与转录本结合并招募酶复合体来诱导该位点发生表观遗传学修饰。

有些lncRNA在正常转录过程中与蛋白编码基因的转录本结合,相关染色质重构蛋白随即对该位点上的染色质和DNA进行修饰,抑制基因表达。DNA甲基化就是这类修饰中的一种, lncRNA很可能指导DNA甲基转移酶DNMT3a等酶对基因组相关位点进行修饰。此外,lncRNA还可以直接修饰附近的组蛋白,通常是对组蛋白尾部进行甲基化。

细胞本就能将DNA甲基化传递给子细胞,这种修饰也可以永久改变遗传密码。例如,胞嘧啶C的甲基化会使核酸经脱氨基作用转变为胸腺嘧啶T。人类基因组中近80%的甲基化位点发生在CpG序列中的C上(后跟有鸟嘌呤G)。尽管C转变为T的过程被认为是随机产生的,甲基化CpG岛中的自发性脱氨基比非甲基化CpG序列中的快将近两倍。

表观遗传学的具体作用机制还需要进一步实验证据来充实,不过我们可以想见整个系统的作用模式,即表观遗传学修饰在lncRNA的指引下对基因组做出永久可遗传的改变。这样的DNA编辑系统可以驱动遗传学突变,也能够解释同一种属中普遍存在的单核苷酸多态性。如果这样的机制得到证实,那么lncRNA介导的DNA甲基化很可能在基因组进化中的起到重要作用。

多样性的动力

有趣的是,C转化为T的频率越高,也会使导致lncRNA与目标序列之间丧失总体互补性。其结果是不但不能对目标基因进行抑制,反而可能使其转录本重新表达。这种频率越高还可能使目标转录本折叠成为不同构象,使其他类型的lncRNA相互作用发生在其他位点。lncRNA自身的改变也可能导致其丧失原本与蛋白的联系,使特定位点产生其他细胞机制。因此,过于活跃的lncRNA可能丧失原本的功能,同时形成新的lncRNA调解网络,引发其他下游效应。

另外,频繁被lncRNA靶标的位点会因为脱氨基事件,在DNA链之间形成大量的T:A连接。这样的改变也是可遗传的,会影响基因的翻译以及相应蛋白的构象和功能。

我们可以想见,环境通过表观遗传学修饰所造成的改变,增加了生物的复杂性,给种群赋予了适应新环境的能力。换句话说,环境压力与种群遗传多样性之间那遗失的一环是表观遗传学,而不是随机点突变。

就算这一机制就只包括lncRNA、表观遗传学修饰、DNA甲基化和脱氨基作用,也已经是一个相当庞杂的系统,尤其是对于人体细胞来说。因此我们并不能排除这样的可能性,那就是人体细胞也存在这种机制只是现有科学手段还无法有效解析。

lncRNA能调节基因转录和表观遗传学水平,使我们所看到的细胞内部分子机制愈发复杂。随着这一新领域涌现出越来越多的数据,显然这样的调控也需要补充进分子生物学的中心法则中去。尽管生物不能将详细的自身经历传递给下一代,长颈鹿不也能靠天天伸长脖子来帮助后代吃到更高的叶子,但生物能够通过为后代留下宝贵的遗传学武器,给它们在困境中生存的机会。

以上中文转载自:生物谷

英文原文地址:http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/32637/article/Lamarck-and-the-Missing-Lnc

英文预读:

Lamarck and the Missing Lnc

Epigenetic changes accrued over an organism’s lifetime may leave a permanent heritable mark on the genome, through the help of long noncoding RNAs.

Rudyard Kipling’s Just So Stories tell tales not so much of evolution, but of the magic and wonder of the animal world. He describes the wizard who gave the camel a hump for its laziness, and the alligator who snapped and stretched the nose of a naïve young elephant to its current lengthy proportion. Those delightful fables, published some 70 years after Jean-Baptiste Lamarck’s death, provide entertaining explanations for such evolved traits, and were clearly inspired by Lamarck’s description of adaptive change, not Charles Darwin’s. In his 1809 publication Philosophie Zoologique, Lamarck wrote of the giraffe, from whose habit of reaching for the green leaves of tall trees “it has resulted . . . that the animal’s forelegs have become longer than its hind legs, and that its neck is lengthened to such a degree that the giraffe, without rearing up on its hind legs . . . attains a height of six meters.”

Although biologists have generally considered Lamarck’s ideas to contain as much truth as Kipling’s fables, the burgeoning field of epigenetics has made some of us reconsider our ridicule. While no biologist believes that organisms can willfully change their physiology in response to their environment and pass those changes on to their offspring, some evidence suggests that the environment can make lasting changes to the genome via epigenetic mechanisms—changes that may be passed on to future generations.

下面补充一个拉马克的用进废退假说的介绍(来自百度百科):

用进废退学说

用进废退学说是法国博物学家拉马克最早提出来的生物进化学说,这个学说的中心论点是:环境变化是物种变化的原因。环境变化了使得生活在这个环境的生物,有的器官由于经常使用而发达,有的器官则由于不用而退化。这些变化了的性状能够遗传下去,也就是说,获得性能够遗传。

用进废退这个观点最早是由法国生物学家拉马克提出,后来被达尔文推翻了。他在《动物的哲学》中系统地阐述了他的进化学说(被后人称为“拉马克学说”),提出了两个法则:一个是用进废退;一个是获得性遗传。并认为这两者既是变异产生的原因,又是适应形成的过程。他提出物种是可以变化的,种的稳定性只有相对意义。生物进化的原因是环境条件对生物机体的直接影响。认为生物在新环境的直接影响下,习性改变、某些经常使用的器官发达增大,不经常使用的器官逐渐退化。认为物种经过这样不断地加强和完善适应性状,便能逐渐变成新种,而且这些获得的后天性状可以传给后代,使生物逐渐演变。并认为适应是生物进化的主要过程。他第一次从生物与环境的相互关系方面探讨了生物进化的动力,为达尔文进化理论的产生提供了一定的理论基础。但是,由于当时生产水平和科学水平的限制,拉马克在说明进化原因时,把环境对于生物体的直接作用以及获得性状遗传给后代的过程过于简单化了,成为缺乏科学依据的一种推论,并错误地认为生物天生具有向上发展的趋向,以及动物的意志和欲望也在进化中发生作用。达尔文对他的观点进行了驳斥。

 拉马克的“用进废退”进化论

 观点:

①现在存在的生物是由其他物种变化而来;

②用进废退:生物体的器官经常使用就会变得发达,而不经常使用就会逐渐退化

③获得性遗传:生物后天获得的性状是可以遗传的;

④定向变异:生物的变异一定是沿着适应环境的方向模式图(用进废退)改变的。

生物的进化不仅在形态结构上的进化,使它和环境高度的适应,也在向更高,更快,更强的方向发展。

同时在它们的生理功能上也是向这个方向演化的。这样的好处是:如果它不需要某种功能时,就可以减少对该功能的物质供应、能量供应,可以最大限度的节省能量和物质。因为生物生活的环境是不同的,在不同的环境里需要动用的功能是不同的。这样可以最好的适应不同的环境。具体的实现机理就太多了,例如减少对该部分的血液供应等。

遗传进化论是相对于宏观人类社会而言的,并不是在一代人身上能体现,微观的用进废颓,讲的是一个人的身体机能变强。这人身体的结构是有机的细胞构成的,而每个细胞都有相应的细胞生命周期,经常使用,就是细胞经常处于充分供血和充分供应养分的环境中,促使细胞的更新,而这又是细胞的“进化论”导致那些优质细胞产生。更富有生命力,这就是用进废退的生理解释!

用长颈鹿做比喻,长颈鹿的祖先是矮的,因为要吃高的树叶,就拼命"长'脖子,结果脖子长了,遗传给下一代;深海的鱼类,因为看不到光,眼睛退化,也遗传给下一代.这个学说有一致命破绽,虽然身体改变了,但基因没有改变,长再高也不会遗传给下一代。

用达尔文的观点说,就是长颈鹿因为基因的隐性和显性的问题,有的高,有的矮,高活下来,基因得以遗传给下一代,就越来越高,而矮的,因为没有食物而死亡,基因很难遗传,所以最后消失.深海鱼类之所以眼睛瞎,是因为巧合有眼睛的鱼类不适用被淘汰,或者是出生后慢慢退化的。

但是达尔文的观点也由局限性,按照达尔文的观点,这个世界上的物种开始的时候应该是什么样的形态都有,比如长颈鹿,有脖子长的也有短的,但是长的适应的环境的生存,而脖子短的被自然淘汰,那么就是说那时的长颈鹿应该是五花八门的了?同样的解释,为什么有些鸟的颜色是白的?因为其他颜色的鸟不适合环境,那意思是说以前的鸟是五光十色的了?其实,达尔文那时没有意识到这样一个观点--基因突变。在自然界里,不光是环境在选择物种,同时,物种本身也在适应环境。当生物体本身不适合环境的要求的时候,基因突变就会适时而生,这才是推动自然界发展的原因。以人类比喻,人类的高智商不是自然界选择的必然结果,按照达尔文的观点,那么以前的人应该是有高智商的也有低智商的,低智商的不适合环境而被淘汰,那这样的话显然不符合发展的观点。当环境的变化已经不适合古猿的生存的时候,其机体就会发生基因突变,在许多突变中,适应环境的突变基因被保留,不适应的被淘汰。有时候物种基因突变的速度远远超出人们的想象,纽约市就曾经在冷藏食品库里发现身上长着长长绒毛的老鼠,但是周围都没有这样的物种。说明老鼠为了吃到食品库的食物,由于长时期的在低温环境下觅食,其机体产生了基因突变。

总的区别是,达尔文认为物种的进化不是按照生物的意愿,而是大自然的挑选。

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