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生物的记忆竟可跨代遗传

归档日期:06-20       文本归类:苯氯乙酮      文章编辑:爱尚语录

  最近,顶尖学术期刊《细胞》(Cell)在线发表了两项重磅研究,给上述谜题提供了一种可能的解释:来自以色列特拉维夫大学与美国普林斯顿大学的两支团队发现,至少在线虫这种模式生物中,记忆能够被遗传,而且,这样的遗传性可以维持三代到四代。

  21世纪初,华盛顿州立大学的生物学家迈克尔·斯金纳团队在研究能够杀灭真菌的化学物质时,偶然发现了一种名为“乙烯菌核利”的物质,将它注射给怀孕的小鼠,它们的第二代甚至再下一代都会出现精子畸形以及其他类型的性异常。

  受这项研究的启发,更多的人开始寻找其他可遗传的性状改变。美国埃默里大学的博士后研究员布莱恩·迪亚斯甚至对小鼠能否将记忆代代相传产生了兴趣。他开始每天都把年轻的雄性小鼠关在一个“小房间”内,定期往里面喷洒带有杏仁味的苯乙酮。研究人员让小鼠闻上10秒钟,同时用轻微的电流刺激它们的脚。

  这种每天5次为期三天的训练,足以让小鼠把这种杏仁味和电击联系起来,受过训练的小鼠在闻到苯乙酮的气味时,往往会条件反射似的杵在原地。迪亚斯还发现,苯乙酮的气味让小鼠更容易受到巨大声响的惊扰。训练结束10天后,埃默里大学动物资源部的研究人员从受过训练的小鼠身上收集精子,注射到同类的卵细胞中,然后将其植入雌鼠体内。

  由这些受精卵发育成的幼崽长大之后,迪亚斯也在它们身上做了行为学测试。和父辈一样,新一代的小鼠对苯乙酮很敏感,即使没有接受过联想训练,在闻到苯乙酮的气味后它们也更容易被巨大声响吓到。研究还发现,这些小鼠的后代,也就是受训雄性小鼠的第三代,也对苯乙酮很敏感。

  为了找到这种遗传关联的实质生理证据,迪亚斯检查了这些小鼠的神经系统。过去的研究表明,当受训小鼠害怕苯乙酮的时候,大脑前部特定脑区的活跃度会变大,而受训小鼠的后代大脑内也观察到了同样的变化。受到惊吓的父辈与它们后代唯一的联系就是它们的精子。这些生殖细胞向后代传递的不仅仅是基因,同样也有通过经验获得的信息。其中缘由仍是未解之谜。

  首先,他们把目光投向了一种叫做RDE-4的蛋白。先前的研究表明,它是线虫产生小分子干扰RNA(siRNA)的关键。为了了解siRNA在跨代改变行为中的作用,研究人员们首先构建了体内缺乏RDE-4蛋白的线虫。

  按设想,它们当无法顺利合成许多siRNA。随后,这些研究人员们又在线虫的神经元中特异表达RDE-4蛋白。这样做的目的,是让线虫能够根据神经活动产生siRNA,这方便让科学家观察这些来自大脑的siRNA的作用。接下来的结果令人大感振奋。在通常情况下,这些突变的线虫在较高的温度下,无法顺利找到食物。而当这些线虫的神经细胞中特异表达RDE-4后,这一觅食本领就能得到恢复。这些结果表明,神经细胞中产生的siRNA会影响线虫的觅食行为。而在三代之后,一些线虫后代由于杂交,基因型恢复成了体内缺乏RDE-4蛋白的线虫。按道理,它们应该丧失高温下觅食的本领才对。

  但研究结果出乎人们的意料——它们依旧能在恶劣的环境下寻找到食物,就好像是曾祖父母将这一本事遗传给了它们一般。后续研究揭示了这一现象背后的分子机理。原来,随着神经活动产生的siRNA,会直接影响生殖细胞中一些基因的表达水平,而这种影响可以传递至少三代。

  研究人员还发现,线虫在学会了如何避免被致病菌铜绿假单胞菌(PA14)感染之后,将这种学习到的信息成功传递给了它们的后代,并一直传递持续到了第四代。研究表明,TGF-β配体DAF-7在感觉神经元中的表达,与这种跨代避害的行为具有正相关性。在学会避害行为的后三-四代线的表达水平出现了明显升高。即使这些后代线虫之前从未遇见过这些致病菌,也会对其“敬而远之”!

  这些研究结果与现代生物学中最基本的结论之一背道而驰——长期以来,生物学家一直认为大脑活动对后代的命运没有任何影响。这个结论被称为“韦斯曼障碍”,也称生物学第二定律,该定律指出,继承种系中的信息应该与环境影响隔离开来。因此,这是生物学界第一次确定可跨代传递神经元反应的机制。这一发现可能对遗传和进化的理解产生重大影响。

  在以往的研究中,以在创伤性事故中幸存的人类为对象的研究中,发现压力、创伤会引发基因表达模式变化,并且这种变化会通过表观遗传的方式传递给后代,对其产生类似的影响,但对于这种表观“记忆”遗传的机制并不清楚。

  该研究团队对承受饥饿和病毒感染的线虫及其后代进行研究发现,承受饥饿和病毒感染的线虫,会将带有环境引发的基因表达变化标签的小分子RNA遗传给下一代,通过进一步的研究,作者发现在线虫体内,某种酶是小RNA合成的关键酶类,正是由于这种酶的作用保证了这些小分子RNA的遗传稳定性。

  类似的情形也可以在小鼠的实验中观察到。美国埃默里大学医学院的团队通过观察厌恶樱花气味小鼠的精子,发现其精子大多数都具有对樱花气味灵敏度高的DNA片段,而他们的后代也表现出对樱花味道“非常厌恶”的行为,即便是他们的后代从来没有闻过樱花的味道。在这项研究中,研究者认为是因为气味传递到大脑,而大脑发出的信号传送到精子从而改变了精子的DNA。

  对于人类来说,遗传记忆是一件成本比较高的事情,遗传记忆可以提高对危险事物的预防。但也会将前几代人曾经的喜怒哀乐一并继承。而通过上述实验也能看出,生物体其实在筛选一些重要的,对于后代生存很必要的记忆,用本能的方式传递出来。

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