获得性遗传的表观遗传学机制

张梦珂 张国文

摘要随着表观遗传学的兴起，获得性遗传研究开始复兴，现已发现大量获得性遗传现象，但获得性遗传作为一种进化机制仍没有得到广泛认同，其原因在于获得性（表型）遗传如何固化为基因型的研究没有取得进展。通过综合分析表观遗传学所揭示的获得性遗传事实，提出一种获得性遗传的表观遗传学机制，给出获得性（表型）转化为基因型的可能路径。

关键词获得性遗传；表观遗传学；基因调控；遗传机制

中图分类号S181.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）14-04187-02

The Epigenetics Mechanisms of Inheritance of Acquired Characteristics

ZHANG Mengke et al（Chutian College of Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430205）

AbstractWith the rise of epigenetics， acquired genetic research began to revive， it has been found a lot of acquired genetic events， but the inheritance of acquired characteristics as an evolutionary mechanism is still not widely accepted， because the study， which acquired genetic is recorded as the genetic information， did not progress. Here， a new mechanism of inheritance of acquired characteristics was proposed， and a roadmap for genotype phenotype transformation was put forward.

Key wordsInheritance of acquired characteristics； Epigenetics； Gene regulation； Genetic mechanism

由法國进化论学者拉马克（Lamarek J B）于19世纪归纳提出的获得性遗传理论[1]一直没有得到普遍认同，主要原因在于获得性遗传无法逾越魏斯曼（Weismann A）的种质连续说和克拉克（Crick F H C）提出的中心法则。近年来，随着表观遗传学的兴起，虽然发现了大量获得性遗传的事实[2-3]，但如何将获得性（表型）固化为稳定的基因型，也没有取得任何突破。通过综合分析表观遗传学的最新研究成果，笔者提出一种基于表观遗传学的获得性遗传机制，明确了表型转化为基因型的路径。这也与种质连续说和中心法则相恰合。

1获得性遗传的表观遗传学机制

1.1获得性状，并形成信息生物受环境的影响会发生一些性状改变或获得新性状[2-3]。这些获得性只是表型发生变化，而非基因型变化。但是，这些性状（表型）可以通过一定方式如DNA甲基化、组蛋白修饰等形式记录下来，并在以后的生命活动中影响基因的表达[3-4]。Colney[5]在研究一种名为柳穿鱼的野生植物时，发现其正常植株呈两侧对称状的花突变为呈辐射对称状的突变体，是由1个叫Lcyc的基因被甲基化修饰所导致的；同时，大量研究表明，人类的许多疾病与某些特定的组蛋白修饰也有对应关系[6]。虽然目前还不能完全理解这些修饰是如何导致生物性状改变的，但这至少说明生物的获得性能够以DNA甲基化或组蛋白修饰等形式记录下来。当然，表观遗传修饰过程是相当复杂的。许多修饰存在着依赖关系和协同作用，例如组蛋白修饰既可指导DNA甲基化[7]，反之，DNA甲基化又可影响组蛋白修饰[8]。此外，染色质重塑、小RNA调节等均可导致性状变化[9]。所以，一种获得性（表型）的记录可能是多种表观修饰共同作用的结果。

1.2获得性状的遗传人们在对线虫、植物、小鼠、猪和人类等的研究中发现，表观修饰所致后天获得性均可遗传给后代[10-12]。蒋岚等[13]的研究为表观修饰的遗传提供直接证据。他们在斑马鱼受精卵的发育过程中发现，除了DNA可以从亲代传递到子代外，精子的DNA甲基化图谱也可以遗传给子代，并且用于指导胚胎早期发育。

1.3表型转化为基因型如果经过若干次的表观遗传，证明一种表型适应环境，有利于生物生存，那么该表型就有可能被固化为基因型。由于有性生殖种质与体质细胞的隔绝，要使一种获得性（表型）固化为基因型，只能在配子形成合子至新的性细胞形成之间的胚胎发育早期完成。在哺乳动物发育中，基因组DNA甲基化会进行2次重编程，一次在配子形成阶段，另一次在胚胎发育早期[14]。发生在胚胎发育早期的去甲基化和重新设置甲基化的重编程，为表型转化为基因型提供了机会和空间；实际上，按照达尔文主义的观点，导致生物进化的随机突变都应集中发生在精卵细胞结合至生殖细胞形成之前的胚胎发育早期。因为只有此时的体细胞与生殖细胞才是一致的或密切联系的，其他阶段的基因突变不能保证体细胞和生殖细胞的一致性。当然，表型转化为基因型应该有一个规则。我们认为，每个个体都记录了大量表型（表观修饰的）获得性，所有获得性的遗传（表达）都会记录在案，遗传1次记录1次，遗传2次记录2次……在形成合子、胚胎发育早期，双亲的获得性通过竞争，哪种获得性在过去的遗传（表达）次数最多，并且超过某一设定值（比如等位基因表达的次数），它就被固化为基因型。

1.4性状的重组表达被保留下来的包括已固化为基因型的获得性，也不一定能够表达（尤其是真核生物）。生物的整个基因组所记录的性状远远多于能够表达的性状，所以真核生物在减数分裂时，通过各种形式的基因重组，以增加各种基因的表达机会和生物的多样性。同时，在具体的表达中，要根据历史上表达次数和当时的环境因素来确定由何种基因或非基因表型来表达，以利于生物性状的稳定和对环境的适应。总体上，以适应环境的性状优先表达；当多种性状都适应环境时，则以那些历史上遗传（表达）次数最多的等位基因（性状）来表达。这个过程可通过甲基化修饰等方式使基因沉默或激活来实现的[15]。

1.5性狀的强化获得性（包括基因型和表型）每遗传并表达1次，就被强化记录1次，在下一次的竞争中就多一份表达的胜数。因此，一种被不断强化的性状是很难被取代或消失的，而新的获得性由于表达的次数少则易被取代而消失。这一点与“用进废退”相类似[1]。我国植物遗传学家裴新澍在其专著《生物进化控制论》中记述，加拿大的马丁（Martin C P）等一批学者在研究诱导变异遗传时发现，“遗传程度决定于作用的程度和代数”。越古老的性状，越能持久，越不易改变和消失；而对于新形成的性状，如果不巩固加深其持久程度，就很容易退化和消失。生物性状的退化时间与获得该性状的时间呈正相关[16]。这些事实证明，遗传并表达的代数（次数）越多，获得性就越牢固。

当然，上述5个步骤机制只是为了述说的方便而人为规定的。在生物体内，上述步骤可能是混杂交叉的，有些步骤在单细胞生物和无性生殖生物中可能不存在。所以，当运用到具体的生物时要有所取舍。

2获得性遗传的表观遗传学机制的特征

2.1经济性一是获得性被固化为基因型的时机最佳。只有在合子形成（复制）子代基因、胚胎发育早期时，获得性被记录为基因型才是最经济的。它只要一次或几次修改和复制，就足可以让整个生物的遗传信息发生变化。由于生物的每个细胞都有一套完整的遗传信息，在其他任何时候，要改变生物的遗传信息（基因型），并使每个细胞都保持一致，其工程之庞杂是不可想象的。二是方式最简洁。将获得性（表型）转化为基因型，并不是直接以蛋白质为模板进行逆转录或逆翻译，而是仍然以DNA为模板，通过甲基化和RNA调控等手段，用诸如剪切、镶嵌和覆盖等简单的修饰、调控方式，使得复制形成的子代DNA系列发生变化。

2.2合作和竞争性生物个体并不擅自将自己的获得性直接转化为基因型，储存到配子（种质细胞）里，并遗传给下一代，而是先将获得性转换为非基因信息存储起来；在产生子代时，通过双亲的竞争，对获得性进行类似选举的“票决”，即哪种获得性表达次数最多，就将它记录为基因型；同时，在满足适应环境的条件下，由何种性状表达，也要进行“票决”。

2.3稳定性获得性转化为基因型是一个累积和“票决”过程。这就保证通过不断表达和长期形成的适应性性状不会轻易地被改变，确保了生物的相对稳定。

3证据

3.1表观遗传学的支持及证据表观遗传一方面使得生物有能力获得新性状和保证获得性的遗传[10-13]，另一方面有能力将表观修饰转化成基因型。例如，胞嘧啶 C 的甲基化会使得核酸经脱氨基作用转变为胸腺嘧啶 T，永久性地改变基因密码[17-18]。这为上述机制的运行提供了坚实的支撑。同时，顾天鹏等[19]在对卵细胞重编程机制的研究中发现，卵细胞来源的母源因子Tet3加氧酶负责父本基因组DNA胞嘧啶甲基的氧化修饰，启动DNA的去甲基化；而蒋岚等[13]研究表明，父本的甲基化图谱可以主导母源的DNA。这说明双亲在清除或保留甲基化（或获得性）过程中都有参与或进行信息交流。如果DNA甲基化的清除或保留有信息沟通，那么有理由相信基因密码的改写也存在一种“协商”机制。

3.2与魏斯曼种质理论和中心法则的契合一直以来，获得性遗传的最大拦路虎是魏斯曼种质理论和克拉克的中心法则。我们提出的机制较好地契合了种质理论和中心法则。依据该文的机制，获得性并不直接记录到种质细胞的DNA中，甚至也不记录到体质细胞的DNA中，而是作为一种非基因信息（如DNA甲基化、组蛋白修饰等）起作用。同时，在该文的机制中，复制仍然以DNA为模板，通过表观修饰来调控DNA复制，使得蛋白质信息流向DNA。

3.3获得性遗传与表观遗传学的关系 自然界既然存在表观遗传，就一定有它存在的理由。一方面，生物为了适应千变万化的环境，需要一种快速的适应性应变机制。稳定性极强的基因型遗传是难以胜任的，而表观遗传则可以通过各种修饰来灭活或激活某些基因功能，快速地适应变化的环境[20-21]。另一方面，生物不可能也没有必要把每种在短时间内适应环境的性状都固化为基因型。通过表观遗传这一形式，可以对适应性性状进行更长时间的“考察”和筛选，以确保那些真正的能够更好地适应各种环境的性状固化为基因型。因此，表观遗传不仅是对基因型遗传的补充，而且是基因型遗传的重要来源和基础。基因型遗传则是表观遗传的积累和固化。生物的进化就是通过表观遗传的筛选机制，将适应性不断转化和沉积为基因型遗传的过程[18]。

4结语

该研究提出的获得性遗传的表观遗传学机制，虽然有理论基础，但是还缺乏坚实的实验证据，尤其是未找到适应性表型转化为基因型的遗传实例，所以只是一种假说。随着表观遗传学研究的深入，获得性遗传的面纱将被逐渐揭开，届时人们对生物的遗传及其进化将会有一个全新的认识。

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