人类表观遗传学是否值得仔细研究

编译 刘迪一

黑松露是表观遗传学家安德里亚·巴卡雷利（Andrea Baccarelli）的偏爱。根据这位现任哥伦比亚大学梅尔曼公共卫生学院环境健康科学系主任的说法，他的父母也喜欢黑松露，祖父母甚至曾祖父母亦然。他怀疑自己可能顺着某种生物学机制继承了前几代人的偏好，又或者，这种多代人的块菌之爱似乎与生活环境有关：他们作为盛产黑松露的意大利翁布里亚地区的居民，家宅周围常有黑松露。

巴卡雷利将自己对黑松露的喜爱归因于在翁布里亚度过的童年时光。遗传有其复杂微妙之处，研究者就“遗传的先天与后天”所展开的辩论从未停止，确定性的基因序列和不断变化的环境影响时常呈现学术上对立的态势。但鉴于二者之间错综复杂的相互作用，越来越多的科学家批评这种二元对立过于简单粗暴。过去几十年间，关于遗传的科学和公共对话一直努力尝试探究一个独立的、非基因序列维度的遗传。

这种转变是由对表观遗传学产生浓厚兴趣的科学家推动的。所谓表观遗传学研究就是对DNA序列以外的、影响基因表达方式的蛋白质和其他因素的研究。

在新千年初，随着研究人员深入了解基因调控的分子机制，相关论文越积越多，我们意识到DNA甲基化、非编码RNA和其他元素的变化可能提供了一种别样遗传机制：一个人暴露于某些环境因素，例如有毒化学物质、创伤，或是包含大量黑松露的饮食，可能令其某些性状（健康和行为方面）发生代际甚至隔代遗传。

表观遗传学的种种发现与一个古老且早为主流所弃的观点相呼应。两百多年前的法国博物学家让-巴蒂斯特·拉马克（Jean-Baptiste Lamarck）和苏联农学家特罗菲姆·李森科（Tro fi m Lysenko）等人都曾坚持这样一种主张：一个人后天获得的特征是可能被遗传的。

到了21世纪10年代中期（表观遗传学研究的热度在这个时期达到高峰），美国马萨诸塞大学医学院的研究员奥利弗·兰多（Oliver Rando）于《科学家》（The Scientist）杂志发表观点称，我们发现拉马克等人那个原本不受欢迎的理论“可能并非完全不合时宜”。

眼下，表观遗传学的各家理论呈现非常多样而复杂的面貌，而它们所基于的假设往往饱受争议。批评者指出，虽说似乎确有证据表明动植物（不包括人类）存在某些表观遗传情况，但学界尚不确定环境对人类表观基因组的影响有多大，也不清楚它的变化会在多大程度上影响基因表达。更重要的是，现在很多科学家认为，哺乳动物表观基因组的影响大部分在两次重组过程中被清除了，一次是在卵子受精过程中，另一次是在卵子/精子细胞的形成过程中。这挑战了“表观遗传改变可以产生代际甚至隔代影响”的观点。

部分研究人员提出质疑：在考虑基因、文化和其他现有因素后，演化生物学是否还需要额外的遗传机制来解释某些特征为什么能跨越多代持续存在？

荷兰莱顿大学医学中心的生物医学数据科学家巴斯·海曼斯（Bas Heijmans）给出的答案是否定的：“基于我们所拥有的这些看起来相对合理的数据，我认为表观遗传并不存在。”持有类似观点的学者不在少数，他们认为这门曾备受关注和赞誉的“异类”遗传学似乎是一项“注定失败的努力”，一种失去了证据支持的现象。

不过尽管遭遇种种批评，许多研究者并没有放弃“上一代人的环境可以通过表观遗传机制影响下一代人”的可能性。虽然并无强有力证据显示这种影响会在人类群体内大规模发生，但根据部分学者的说法，如果掌握更多流行病学和有关机制的数据，我们可能会收获一些好消息。

美国南加州大学的环境流行病学家嘉莉·布雷顿（Carrie Breton）表示：“我有点怀疑我们可否通过表观遗传学解释很多遗传现象。但当我们谈论环境暴露导致可能影响健康风险的表观遗传变化，以及这种个体效应是否持续时，我确实认为有越来越多证据支持这一点。即使此类情况极少发生，但只要有环境暴露微调了生物体内的几个可能仍对自己有害的基因座，表观遗传就可能继续下去。”

探究环境毒素如何引发DNA甲基化与基因表达变化的巴卡雷利也持类似的观点。根据他的说法，21世纪初期的许多研究，尤其与动物模型中的跨代遗传有关的研究，都没有被重复实现，而且通常难以用于解释人类研究。

科学挖掘队列数据，寻找关联

瑞典奥佛卡利克斯市有一个北极驼鹿养殖场。人们在那里可以欣赏到壮丽动人的北极光。但对于科学界，这片斯堪的纳维亚半岛北部的森林区是收集历史记录数据集的胜地。这些数据包括20世纪初出生的当地居民以及后代的出生和死亡日期、死因信息、家谱记录、谷物价格以及粮食收成等等。奥佛卡利克斯是瑞典的偏远之地，当地居民长期都处于艰难维持生存的状态，往往每隔数年就会遭遇严重歉收以及随之而来的饥荒。21世纪初期，瑞典科学家收集分析了数百个居民的数据，试图解决一个看似简单的问题：一个人年轻时候的饮食习惯是否影响他们孙子孙女的健康？

研究结果显示，那些年幼时不愁吃喝的祖父相比经历过饥荒的祖父，其孙辈更有可能因糖尿病丧生。鉴于此，研究团队得出了肯定的答案。而且由于分析对象仅仅是三代人，他们身上集中出现大规模遗传变化的可能性不大，因此作者在论文中推测，关联现象背后的机制可能是表观遗传：也许是由某种饮食驱动的祖父生殖系的变化。

几年后，这些结果得到扩展：多项新研究都报告了祖辈营养与孙辈健康之间的关系；同期发表的动物实验结果似乎也与之呼应，例如向小鼠喂食高脂肪饮食对其下一代、两代甚至三代产生了代谢或体型方面的影响。

上述研究提供了关于人类表观遗传的可信证据，或者说，某种“陷阱”。是证据还是陷阱，取决于我们的视角。例如，批评者指出，在最早的那份奥佛卡利克斯研究中，作者团队选择的小队列可能包含多对直系兄弟姐妹-堂/表兄弟姐妹，这意味着针对所谓祖父母-孙子孙女的观察并不完全精准；此外，作者还同时分析多种健康结果，增加了它们与祖父母饮食呈现统计学显著关联的可能性。用更通俗的话说，研究数据不够全面和准确。尽管有几项工作收集了关于父母收入、教育和其他社会文化因素的信息，但调查者们可能还是没能就他们发现的关联找到其背后的真正原因。

布雷顿指出，此类问题广泛适用于任何将环境因素与人类健康结果联系起来的研究。“我们试图分析尽可能多的、在我们看来最重要的事情……但毫无疑问，我们无法量度所有重要内容。而且即便是那些被我们分析了的因素，分析质量也有待商榷。”

环境流行病学家目前正试图通过从大规模、多代人群处收集更多信息（在某些情况下，还包括生物样本信息）来开发更好的数据集。布雷顿表示，虽然这些研究仍然是观察性的，但它们可以就前几代人反复经历的环境暴露与其健康结果之间的特定联系，给出支持或驳斥的结果，帮助科学家进行判断。

“环境对儿童健康的影响”（ECHO）项目是一个由美国国立卫生研究院（NIH）资助的数据网络，囊括了来自全美70多个儿童及其家庭成员队列，以及50 000多名儿童的信息。负责ECHO南加州大学数据站点的布雷顿表示，研究人员从几十年前就开始跟踪一些群体，有的人现在已经在收集第三代的数据了——这些数据可用于调查长辈的早期生活是否影响他们的子辈或孙辈。目前，布雷顿和同事正尝试通过分析面颊拭子样本，评估三代人中DNA甲基化模式（这仍是表观基因里被研究最多的部分）的一致性。

一些调查代际和隔代健康影响的队列网络已经开始发布数据。由NIH研究员斯蒂芬妮·伦敦（Stephanie London）及其同事于 2018年成立的妊娠和儿童表观遗传学（PACE）联盟旨在整合近40项正在进行中的儿童-父母研究。基于前文提到的小鼠高脂肪饮食研究显示雄性的高脂摄入与其雌性子代的胰岛素分泌受损，以及某些胰腺细胞内出现DNA甲基化特征有关的研究发现，PACE小组将自己掌握的大量数据与来自其他队列的信息相结合，以挖掘父辈BMI指数与子辈DNA甲基化模式之间可能存在的关联。通过分析近7 000份血液样本（新生儿脐带血和年龄较大儿童的血液）后，小组成员发现“几乎没有证据”表明任何关联；但由于DNA甲基化模式因细胞类型和组织而异，作者在论文中强调，结果并不能完全排除相关联的可能。

一些较小规模的观察工作也提供了重要信息，例如英国的“埃文河父母与孩子的跟踪研究”（ALSP）和挪威的“母子队列研究”（NMCCS）。虽然此类研究出现了某些半一致性模式，例如，祖辈吸烟与孙辈哮喘之间的关联，以及更有争议的父母早年创伤与儿童心理健康之间的联系，但大多数人都认为尚不可排除混杂因素对儿童健康的影响，例如产前暴露、后天抚育等。

精子研究暗示环境对生殖系的影响

理查德·皮尔斯纳（Richard Pilsner）从大约十多年前与妻子计划生孩子时就开始思考精子的表观遗传学。接受过环境健康科学训练的皮尔斯纳曾告诫妻子，包括吸烟在内的一些行为可能影响受孕或胎儿发育。加入马萨诸塞大学阿默斯特分校后，他决定深入研究父母环境与儿童发育之间的潜在联系。

2014年，皮尔斯纳和同事发起了“精子环境表观遗传学和发育研究”（SEEDS）。研究小组在征得参与者同意的情况下使用来自体外受精诊所的剩余样本，以研究父亲的生活环境与其精子的表观基因——以及未来可能的某一天，他孩子的表观基因和健康状况——之间的关系。

从研究父母环境如何影响后代的角度来看，对精子的关注相当关键。首先，父亲不给子女提供产前发育环境，避开了子宫内暴露所带来的一些混淆效应。（业内学者普遍质疑有些研究将产前影响与代际和隔代影响混为一谈。）此外，它可以帮助研究人员追踪跨代传递的物质。以精子为中心的方法被越来越多地用于动物研究。一项基于啮齿动物模型的精子表观遗传学研究发现，负面经历（例如创伤或接触有害化学物质）和正面经历（例如运动）会影响精子中DNA甲基化和RNA修饰水平，也可在后代测量到变化。

皮尔斯纳的小组已经完成了几项使用SEEDS数据集的研究。此前有学术团队发现，接触许多日常塑料里的化学物质会改变啮齿动物精子的DNA甲基化。而皮尔斯纳和同事跟进此报道，开展了一项小规模研究。他们使用尿液样本测量了近50名男性接触邻苯二甲酸盐的情况，在接触化学物质者的精子DNA中，确定了130多个基因组区域（其中许多区域位于参与生长发育的基因周围）存在甲基化差异。

最近，研究人员探索了另一个可能影响儿童健康状况的风险因素：高龄得子的父亲。一些学者曾报告父亲高龄与孩子遭遇某些癌症和神经发育障碍风险之间的联系。关于此，虽然科学家提出多种机制用于解释现象，包括累积突变和精子DNA结构完整性降低，但皮尔斯纳小组发表的数据证明，精子甲基化也可能在其中发挥作用：父亲年龄与参与胚胎发生和神经发育的基因的特定表观遗传模式有关。

我们很难通过上述研究判断，精子中出现的表观遗传变化是否会持续至受精以后，或对后代产生生物学影响。事实上，一部分啮齿动物研究显示，暴露于风险因素的雄性精子里的DNA甲基化改变会在下一代完全恢复。但皮尔斯纳等人最近的一项小鼠实验报告称，虽然精子和新受孕胚胎细胞之间确实存在DNA甲基化模式的差异，但后者与前者的模式差异始终一致。“我们看到胚胎里的变化比精子中的多得多，有某种信号在传递。”皮尔斯纳现正与加拿大麦吉尔大学的表观遗传学家莎拉·金明斯（Sarah Kimmins）合作，后者团队分析发现，小鼠精子的组蛋白（将DNA包装成染色体的蛋白质）甲基化变化可以传递至胚胎。

瑞士苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院的神经表观遗传学家伊莎贝尔·曼苏伊（Isabelle Mansuy）表示，这种更全面的表观遗传学方法越来越受研究者欢迎。曼苏伊最近回顾总结了100多项关于环境暴露的潜在代际和隔代影响的研究。用他的话说，表观遗传的途径可能非常复杂，并非严格的一对一DNA甲基化拷贝，“我希望人们不要认为只存在一种机制”。

表观遗传学家罗曼·巴雷斯（Romain Barrès）任职于丹麦哥本哈根大学和法国蔚蓝海岸大学，也是“对抗肥胖生殖细胞/配子表观遗传学联盟”（GECKO）的负责人。他持与曼苏伊类似的观点：“我们认为表观遗传修饰相互影响，如果你只研究局部区域（例如只观察血液的）的DNA甲基化，可能会错过全貌。未能找到跨代遗传的信号并不意味着这个信号没了，或许它被整合到了另一个表观遗传标记中，例如小RNA（sRNA）或染色质构象。”

巴雷斯的团队了解表观基因组可能随时间改变的事实，并一直尝试研究特定生活事件，而非终生暴露。几年前，他们追踪了因肥胖而接受减肥手术的人，试图寻找其精子中DNA甲基化模式的变化。巴雷斯等人借助数据集，发现苗条和肥胖男性的精子DNA甲基化模式和非编码RNA水平呈现差异。他们使用新队列，发现病态肥胖男性在接受手术后仅一周就表现出精子DNA甲基化的重塑，且重塑程度到一年后更深，尤其是在与食欲控制相关的基因组区域。作者在论文里指出，这些区域当中的一部分，恰是苗条与肥胖男性呈现差异的基因组区域。

巴雷斯现正与澳大利亚的学者合作，开展一项针对人类的罕见实验：他们让一对成年男性同卵双胞胎各自接受加工食物和未加工饮食，之后要求其提供精子样本，用于分析DNA甲基化、非编码小RNA水平和染色质结构。巴雷斯承认：“有很多问题是无法只从精子本身着手就可解决的，但如果我们能发现生殖细胞中用以应对营养压力的表观遗传特征的共同点，并确定拥有更多此类 ‘抗压’ 共同点的男性，其后代也拥有应对营养压力的特征，那么我们就可以建立一个模型，尝试确定这种关联性是否为因果性。”

不少科学家都表示，更多的实验方法对表观遗传学研究有好处。研究人员越来越多地尝试在动物模型中调节表观基因组，而非简单地观察它。曼苏伊等人报告称，将小鼠精子细胞内的RNA注入卵子或胚胎，观察引起动物的生理或行为变化。巴卡雷利指出，新型基因编辑技术也可助研究者编辑DNA甲基化模式。“我认为眼下摆在表观遗传学面前的一个重大机遇就是表观遗传编辑。你能编辑某个甲基化位点，然后观察基因表达的情况，看看发生了哪些表型变化。”

仍在等待答案的领域

随着科学数据越积越多，关于“表观遗传理论的哪些方面可能适用于人类”的争论也逐渐升温。许多科学家感到遗憾，因为他们看到这个领域有很多炒作、误报以及毫无意义、暧昧模糊的专业定义（尤其是关于代际效应和隔代效应的区分）。另一方面，一些同行认为他们的工作遭受了过度诋毁。曼苏伊表示：“许多人都不知道，要让表观遗传研究得到认可是需要付出巨大努力的。相比更经典的领域，在这门学科中收集数据和发表论文需要付出更多心血和时间。”曼苏伊近年来在为哺乳动物表观遗传项目寻求资助时遇到了诸多困难。

其他科学家表示，他们为表观遗传概念的失败做好了准备，失败的原因要么是相关机制在人类中极为罕见，要么是表观遗传对发育的影响相比其他因素小到忽略不计。

在海曼斯看来，如今人们对表观遗传的兴趣相较几年前减弱了，但这种情况倒是能推动表观遗传学家们将精力集中于更加务实高产的研究方向上。海曼斯一直致力研究产前或生命早期环境如何影响表观基因组，以及表观遗传改变可否用作生物标志物来预测某人一生的疾病风险，从理论上讲，这可以“帮助我们识别易受伤害的个体，并监测其健康状况”。这类表观遗传学的应用与人类密切相关，是这门学科未来发展的方向。

资料来源 The Scientist