1. 介紹
拉馬克“用進廢退”觀點的背後，是所謂獲得性遺傳，即生物能夠按照自己的“意願”來發展，並遺傳到後代。但隨著達爾文“自然選擇”學說以及木村資生“中性突變”學說的出現，大傢普遍認為，生物的演化是沒有方向性的，如果有方向性，那麼這個方向也是由環境賜予的。DNA雙螺旋結構的發現使得科學界承認，DNA為生物的遺傳物質。按照中心法則，DNA通過三聯密碼子來合成蛋白質，最終執行生物體內的各種功能。生物體現在的狀況，是由他的先天遺傳物質與環境所共同決定的。但我們先假定，如果環境想要長遠地影響生物體，那麼這種影響將會是通過遺傳物質來執行的。但如果這麼想的話，那麼隻有少數的環境因素（如致癌物這類可以改變DNA序列的因素）能夠影響遺傳物質的改變，從而影響生物的性狀。但這並不符合我們的常識，即各種各樣的環境每時每刻都在影響著我們，並不是隻有能改變我們遺傳物質序列的環境能影響我們。近年來，對於這個矛盾，表觀遺傳學提供瞭一種解釋。
表觀遺傳指的是，基因的功能發生瞭可遺傳的改變，但這個改變並不涉及到基因的序列(1)。在真核生物中，表觀遺傳的修飾可以包括，DNA甲基化、組蛋白甲基化或乙酰化以及復雜的染色質結構。這些修飾一起調控著基因的表達或不表達，表達量的高與低，從而影響瞭蛋白質的生成及其對應的功能。
2. 表觀遺傳對當代生物的影響
我們的機體因為表觀遺傳修飾而具有瞭可塑性。下丘腦-垂體-腎上腺軸（hypothalamic–pituitary–adrenal axis, HPA axis）是人體內的一種重要的內分泌調控通路(2,3)(figure.1)。當人受到壓力刺激時，該通路被激活，導致腎上腺開始分泌糖皮質激素。正常人的海馬體內有糖皮質激素的受體，該受體與糖皮質激素結合後會激活下遊基因表達，一方面產生應激反應，另一方面產生對糖皮質激素的負調控，最終平衡糖皮質激素在血液內的濃度，使其不會過高。在小鼠體內也存在下丘腦-垂體-腎上腺軸，具有著相似的調控機制。
figure.1(https://en.wikipedia.org/wiki/Hypothalamic–pituitary–adrenal_axis)
在小鼠中，不同的雌鼠對她們的孩子的照顧方式不同(4-8)。在小鼠第一周的哺乳期期間，存在兩種穩定的母性行為，舔毛（licking and grooming）和拱背護理（arched-back nursing）(figure.2)。對這兩種行為的研究表明，這些母性行為與子代小鼠的HPA axis應激通路十分有關。對於有著高頻率舔毛和拱背護理的母親，她們撫育的子代在成年後，面對著壓力會更加溫和，不容易緊張。而對於低頻率舔毛和拱背護理的母親，她們的子代在成年後，對於壓力會有著更強烈的應激反應。即在不同的母親的撫育下，小鼠成年後會有著不同的“性格”。一項研究表明(9)，這兩種母性行為對於小鼠“性格”的影響，正是通過調控子代小鼠基因的表觀狀態來實現的。他們最終定位到瞭小鼠海馬體（Hippocampus）區域細胞的糖皮質激素受體（glucocorticoid receptor, GC）基因。他們發現這種行為正是通過影響該基因啟動子區域的DNA序列甲基化水平，從而影響瞭該基因的表達水平。對GC基因啟動子的甲基化測序顯示，在出生前一天（E20），該區域的甲基化水平很低，而在出生的當天，該區域的甲基化水平急劇升高。如果小鼠在哺乳的第一周，有一個愛護自己的母親，那麼經過一周的撫育後，該區域的甲基化程度會降低，恢復到出生前的水平，在他們成年之後，海馬區域的GC基因就能正常表達，從而使其擁有HPA axis負反饋調節的能力。而如果在小鼠哺乳的第一周，母親對他疏遠，照顧不佳，那麼該區域的甲基化水平就會維持較高的程度，使海馬區GC基因的表達水平降低，從而影響到成年之後的行為。為瞭排除遺傳因素，研究人員還將小鼠進行交叉培養（cross-fostering），結果顯示，GC基因啟動子的甲基化水平隻與母性行為相關。數年之後，該小組領導的又一項研究成果問世，將在小鼠上的實驗結果推到瞭人類身上(10)。他們得到瞭24具自殺身亡的人的屍體，其中12具在幼時受過傢庭虐待，另外12具則未受過傢庭虐待。他們同樣測瞭死者海馬區（hippocampus）的GC基因啟動子的甲基化程度。結果表明，幼時受過虐待的死者，該區域甲基化水平很高，而未受過虐待的死者該區域甲基化水平明顯更低。這兩項研究將環境影響與基因組的表觀狀態聯系到一起，開啟瞭環境-表觀修飾相互作用的分子機理的研究，促進瞭一個新的領域—行為表觀遺傳學（Behavioral Epigenetics）的出現(11)。
figure.2(http://discovermagazine.com/2013/may/13-grandmas-experiences-leave-epigenetic-mark-on-your-genes)
除此之外，還有很多研究表明，環境可以通過作用於基因組的表觀狀態來影響生物的行為。學習記憶是這類過程中的一個典型例子。我們的大腦發育完全後，便很少有新的神經元產生(12)，但是，依靠著有限的神經元，我們卻可以記憶無窮的知識（信息）。這主要是因為，我們的神經元有著高度的可塑性，能夠形成新的突觸，從而形成記憶。在神經元的可塑性方面，表觀修飾起著重要的作用。
組蛋白的乙酰化會導致組蛋白所帶的正電荷被乙酰基所中和，從而使其不能有效的與DNA相結合（DNA帶負電），從而導致該區域的DNA可以更多的被轉錄因子所接近，更容易表達(13)。因此，組蛋白的乙酰化是基因組表觀狀態重要的一方面。在此調控過程中，組蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase, HDAC）主要負責移除組蛋白所帶的乙酰基，是重要的調控酶。在人類中，HDAC可以分為五類(14)，其中第一類廣泛存在於各個器官，HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8即屬於這一類。現有研究表明，它們在人類的學習記憶的過程中，起著重要作用。在阿爾茲海默癥（Alzheimer’s disease）小鼠模型中(15)，HDAC2在CA1海馬區的表達量顯著升高。通過shRNA在該區域敲降（Knockdown）HDAC2的表達狀態，可以在一定程度上恢復該小鼠的認知情況。在這一現象的背後，則是HDAC2的過表達會影響相應神經元內基因組的表觀狀態，從而抑制瞭與學習記憶以及突觸可塑性（Synaptic plasticity）相關的基因的表達。同時，研究者發現，該區域的HDAC2的上升，正是由於神經元受到瞭來自神經毒性物質，如過氧化氫和β樣淀粉蛋白（Amyloid-β）塊的刺激。這項研究一定程度表明瞭，對於阿爾茲海默癥，單純設計藥物減少β樣淀粉蛋白的聚集，並不能獲得較好的治療效果，主要是因為這並沒有改變與學習記憶相關的神經元的表觀狀態。因此，基因組的表觀狀態的改變，可能是這麼多年來隻針對β樣淀粉蛋白設計靶向藥物而失敗的一個原因。組蛋白擁有著多個亞型，分別在不同的生物過程中起著作用，因此組蛋白交換（Histone exchange）也是基因組表觀狀態的一個重要的調控因素(16)。H2A.Z便是H2A的一個組蛋白亞型。一項研究表明，在恐懼記憶形成實驗中，在與記憶相關的基因的轉錄起始區域的上遊，H2A.Z會被交換下來，從而減少由H2A.Z引起的轉錄起始抑制，開啟相關基因的表達，來完成記憶的形成。如果在CA1海馬區敲降（Knockdown）H2A.Z基因的表達，再對小鼠進行訓練，則會看到與記憶相關的基因表達水平上升更多，同時小鼠形成的記憶也更加牢固。
3. 表觀遺傳對子代生物的影響
以上研究表明的是，環境會作用於基因組的表觀狀態，從而影響生物體的行為。而接下來的研究則將這一影響推向可以遺傳。人類會對恐懼形成牢固的記憶，小鼠也是如此。如果在對小鼠進行電擊的同時，對它施加一個特定的刺激，如聲音或氣味，那麼小鼠就會像巴甫洛夫的狗一樣，在受到相同聲音或氣味的時候，會想起對電擊的恐懼(17)。最近的一項研究表明，這種恐懼記憶是可以遺傳的(18)。在我們的鼻子內，存在著多種G蛋白偶聯受體。每一種負責感受一類氣體分子，使我們有瞭嗅覺。在小鼠的鼻子內，G蛋白偶聯受體Olfr151負責感知苯乙酮 （acetophenone），而Olfr6負責感知丙醇（propanol）。如果在擁有苯乙酮的環境裡，對小鼠施加電刺激，那麼小鼠就會對苯乙酮形成恐懼記憶。該研究組將該小鼠進行瞭傳代，他們發現，即使沒有對子代進行電刺激的訓練，如果給它苯乙酮和丙醇，那麼該小鼠會對苯乙酮產生恐懼反應，而對丙醇沒有反應。如果對父代小鼠在丙醇的環境下施加電刺激，那麼該小鼠的子代就會對丙醇形成恐懼反應，而對苯乙酮無反應(figure.3) (19)。他們通過交叉培養（cross-fostering）來排除父代在培養過程中對小鼠的“教育”影響，發現這種恐懼記憶是完全通過遺傳形成的。通過體外受精實驗，他們證明這種遺傳是通過精子介導的。因此，對於對苯乙酮形成恐懼記憶的小鼠，他們對其精子的Olfr151基因啟動子位置的甲基化水平進行瞭測序，發現與未經過訓練的（naive）小鼠相比，該區域的甲基化水平明顯降低，導致子代的嗅覺系統裡，該基因較高表達，從而對該種氣體形成敏感性。該研究首次運用嗅覺系統中氣體與受體特異對應的特點，發現瞭父代的經歷記憶可以遺傳到子代，並將遺傳方式定位到瞭生殖細胞特定基因的表觀修飾上。隻不過這種恐懼記憶如何影響生殖細胞的表觀遺傳狀態，現在還一無所知。該項研究過後，相應的研究猶如雨後春筍般，一一問世。隨後，有研究表明，如果對父代喂養高脂肪的食物，那麼他生下的孩子，即使隻喂正常的食物，也會有胰島B細胞的功能失調(20)。如果父代小鼠對可卡因（Cocaine）成癮瞭，那麼子代小鼠會一定程度上對可卡因形成耐受(21)。如果父代在青年時期遭受反復的社交壓力，那麼這種焦慮可以遺傳兩代(22)。這些證據表明，獲得性遺傳較廣泛的存在於一部分的行為中。現在雖然還不清楚這些行為是如何遺傳到子代中去的。但一些研究已經揭示瞭，一些生物分子，如RNA，一些信號通路，如胰島素樣生長因子通路（insulin-like growthfactor signaling pathway），參與著這些獲得性性狀的遺傳。
figure.3
4. 表觀遺傳影響子代的途徑
現在的很多項研究表明瞭，RNA在獲得性遺傳上起著重要的作用。第一項直接證明RNA作用的研究是(23)，直接把早期受過精神創傷的小鼠的精子的總RNA提取出來，註射到正常小鼠的受精卵中，而在子代中，便可觀察到相應的精神創傷和代謝紊亂。並且這種表型還是可以遺傳的。這說明，通過RNA的註射，在生殖細胞內形成瞭穩定的表觀遺傳修飾。一些研究表明，tsRNA（transfer RNA-derived small RNA）可能在獲得性遺傳的過程中起著重要的作用。tsRNA主要是來源於tRNA 5’ 末端的片段，長度在29-34nt間。其在精子中的含量會隨著精子的成熟而增加，在最後會占精子總RNA的60%以上(figure.4) (24,25,32)。另一條很重要的信息是，精子內的tsRNA可以通過附睪的表皮細胞分泌的胞外囊泡（Extracellularvesicles,EV）來獲得(24)。對附睪分泌的胞外囊泡（EV）的成分分析顯示，其中含有大量的tsRNA，其含量與成熟的精子相當。這是一條相當重要的信息，因為它提供瞭一條環境作用於體細胞，而體細胞再作用於生殖細胞的途徑。一項研究表明(20)，如果持續給大鼠喂養高脂肪食物，它的子代的胰島素分泌功能會受損，且胰島細胞的mRNA表達譜也會出現大的改變。另一項研究表明(26)，如果將喂食瞭高脂肪食物的小鼠的精子中的tsRNA提取出來，註射到正常小鼠的受精卵中，那麼F1代小鼠體重會比正常小鼠更重，其代謝基因表達譜會與正常小鼠產生差別，並表現出一定的代謝紊亂。在小鼠的精子中，除瞭大量的tsRNA外，也存在部分microRNA。一項研究顯示(27)，在受過精神壓力的小鼠的精子中，有多種microRNA的表達含量與正常小鼠不同，將其中九種microRNA提取出來，註射到正常的受精卵中，子代小鼠就會表現出相應的抗壓失調的表型。
figure.4
除瞭RNA的作用外，一些經典的信號通路也在獲得性遺傳上起著重要作用。近期，一項在線蟲中的研究表明(28)，線蟲生殖細胞的胰島素樣生長因子通路，在線蟲的獲得性遺傳中起著關鍵作用。對於線蟲來說，當外界的環境滲透壓過高時，線蟲就會停止發育，進入一種類似於細菌的孢子的形式(29,30)。等到外界環境滲透壓恢復正常後，線蟲會再復蘇，繼續發育成長。當親本線蟲受到過滲透壓刺激，其子代抵禦滲透壓的能力會升高。這項研究表明，在線蟲中，這種抵禦外界滲透壓刺激的能力的上升，是通過雌性線蟲生殖細胞上的胰島素樣生長因子通路調控的。外界滲透壓升高的信息會通過生殖細胞上的這條信號通路感知，從而增加子代細胞的甘油合成酶的表達，增加子代細胞內甘油的含量，從而增強其抵禦外界滲透壓的能力。這一項研究雖然是來自於線蟲這種對於哺乳動物相對簡單的生物，但在線蟲中的諸多研究成果，如壽命等(31)，已經對在哺乳動物上的研究，給予瞭很多啟示。並且胰島素樣生長因子通路是在哺乳動物內廣泛存在的。研究人員相信，這條通路可能在哺乳動物關於肥胖和代謝紊亂的獲得性遺傳上有著重要的作用。
5. 討論
對於行為背後存在的表觀遺傳機制的研究，已經有瞭十餘年。在這些年中，研究人員向我們揭示瞭很多可以遺傳的性狀，如性格、代謝狀態、生殖能力等。在這些可以遺傳的行為中，大多數都有著一個共同特點，即與某種生物激素有關。它們更多是某種激素功能的調節或改變，而不會是有全新的功能。我想這種獲得性遺傳功能的存在，應該是為瞭讓生物及其後代，能在小范圍內迅速適應環境。而對於新的功能和新的物種，則還需要在長時間尺度下，由突變的積累和自然選擇來產生。對於這些性狀的遺傳機制，相應的研究才剛剛開始。但一些證據已經表明瞭，存在著環境直接作用於生殖細胞，或先作用於體細胞，再傳導至生殖細胞的途徑。
基因決定著我們的行為，環境亦是通過基因來影響著我們的行為。隨著我們對行為背後的分子機制的瞭解，我們知道瞭快樂抑鬱與否，是由神經元和基因決定的。因此，我們不會僅僅對一位抑鬱癥患者說“想開點就好瞭”，因為先天或環境所導致的基因的變化，並不是僅靠個人的“精神力量”所能恢復的。一個人的內向緊張與否，也不再是我們所想的，能靠他自身所控制。生物是由一種種自然界中存在的元素構成的，所以在一切的行為背後，都有著物質分子層面上的基礎。從這個角度按來看，我不經有些氣餒。我們就像是基因的奴隸，被它為我們設計的牢籠所禁錮。但表觀遺傳修飾的存在，則給瞭我一些希望。因為它讓這個牢籠有瞭一定的空間，盡管連想要挪動一步都很困難，但終歸還是存在著那個希望。
參考文獻
1. Dupont C, Armant DR, Brenner C A, et al. Epigenetics: Definition, Mechanisms and ClinicalPerspective[J]. Seminars in Reproductive Medicine, 2009, 27(5): 351-357.
2. Smith S M, Vale W W.The role of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis in neuroendocrine responsesto stress[J]. 2006, 8(4):383-395.
3. Papadimitriou A,Priftis K N. Regulation of the Hypothalamic-Pituitary-Adrenal Axis[J].Neuroimmunomodulation, 2009, 16(5):265-271.
4. Stern, J.M.Offspring-induced nurturance: animal-human parallels. Dev. Psychobiol. 31,19–37 (1997).
5. Liu, D. et al.Maternal care, hippocampal glucocorticoid receptors, and hypothalamic-pituitary-adrenalresponses to stress. Science 277, 1659–1662 (1997).
6. Caldji, C. et al.Maternal care during infancy regulates the development of neural systemsmediating the expression of fearfulness in the rat. Proc. Natl. Acad. Sci. USA95, 5335–5340 (1998).
7. Francis, D., Diorio,J., Liu, D. & Meaney, M.J. Nongenomic transmission across gen- erations ofmaternal behavior and stress responses in the rat. Science 286, 1155–1158(1999).
8. Myers, M.M.,Brunelli, S.A., Shair, H.N., Squire, J.M. & Hofer, M.A. Relationshipsbetween maternal behavior of SHR and WKY dams and adult blood pressures ofcross-fostered F1 pups. Dev. Psychobiol. 22, 55–67 (1989).
9. Weaver I C, RancesF, Champagne A, et al. Epigenetic programming by maternal behavior[J]. NatureNeuroscience, 2004, 7(8): 847-854.
10. Mcgowan P O, SasakiA, Dalessio A C, et al. Epigenetic regulation of the glucocorticoid receptor inhuman brain associates with childhood abuse.[J]. Nature Neuroscience, 2009,12(3): 342-348.
11. Miller G. The Seductive Allure of BehavioralEpigenetics[J]. Science, 2010, 329(5987): 24-27.
12. Jin X. The role of neurogenesis duringdevelopment and in the adult brain.[J]. European Journal of Neuroscience, 2016,44(6): 2291-2299.
13. Spange S, Wagner T, Heinzel T, et al.Acetylation of non-histone proteins modulates cellular signalling at multiplelevels[J]. The International Journal of Biochemistry & Cell Biology, 2009,41(1): 185-198.
14. Dokmanovic M, Clarke C, Marks P A, et al.Histone Deacetylase Inhibitors: Overview and Perspectives[J]. Molecular CancerResearch, 2007, 5(10): 981-989.
15. Graff J, Rei D, Guan J, et al. An epigeneticblockade of cognitive functions in the neurodegenerating brain[J]. Nature,2012, 483(7388): 222-226.
16. Zovkic I B, Paulukaitis B S, Day J J, et al.Histone H2A.Z subunit exchange controls consolidation of recent and remotememory[J]. Nature, 2014, 515(7528): 582-586.
17. Maren S. NEUROBIOLOGY OF PAVLOVIAN FEARCONDITIONING[J]. Annual Review of Neuroscience, 2001, 24(1): 897-931.
18. Dias B G, Ressler K J. Parental olfactoryexperience influences behavior and neural structure in subsequentgenerations[J]. Nature Neuroscience, 2013, 17(1): 89-96.
19. Szyf M. Lamarckrevisited: epigenetic inheritance of ancestral odor fear conditioning[J].Nature Neuroscience, 2013, 17(1): 2-4.
20. Ng S, Lin R C, Laybutt D R, et al. Chronichigh-fat diet in fathers programs β-cell dysfunction in female ratoffspring[J]. Nature, 2010, 467(7318): 963-966.
21. Vassoler F M, White S L, Schmidt H D, et al.Epigenetic inheritance of a cocaine-resistance phenotype[J]. NatureNeuroscience, 2012, 16(1): 42-47.
22. Saavedrarodriguez L, Feig L A. Chronic SocialInstability Induces Anxiety and Defective Social Interactions AcrossGenerations[J]. Biological Psychiatry, 2013, 73(1): 44-53.
23. Gapp K, Jawaid A, Sarkies P, et al. Implicationof sperm RNAs in transgenerational inheritance of the effects of early traumain mice[J]. Nature Neuroscience, 2014, 17(5): 667-669.
24. Sharma U, Conine C C, Shea J M, et al.Biogenesis and function of tRNA fragments during sperm maturation andfertilization in mammals[J]. Science, 2016, 351(6271): 391-396.
25. Peng H, Shi J, Zhang Y, et al. A novel class oftRNA-derived small RNAs extremely enriched in mature mouse sperm[J]. CellResearch, 2012, 22(11): 1609-1612.
26. Chen Q, Yan M, Cao Z, et al. Sperm tsRNAscontribute to intergenerational inheritance of an acquired metabolicdisorder[J]. Science, 2016, 351(6271): 397-400.
27. Rodgers A B, Morgan C P, Leu N A, et al.Transgenerational epigenetic programming via sperm microRNA recapitulateseffects of paternal stress[J]. Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America, 2015, 112(44): 13699-13704.
28. Burton N O, Furuta T, Webster A K, et al.Insulin-like signalling to the maternal germline controls progeny response toosmotic stress[J]. Nature Cell Biology, 2017, 19(3):252.
29. Frazier H N, Roth M B. Adaptive SugarProvisioning Controls Survival of C. elegans Embryos in AdverseEnvironments[J]. Current Biology, 2009, 19(10): 859-863.
30. Baugh L R, Sternberg P W. DAF-16/FOXO RegulatesTranscription of cki-1/Cip/Kip and Repression of lin-4 during C. elegans L1Arrest[J]. Current Biology, 2006, 16(8): 780-785.
31. Kenyon C. The genetics of ageing[J]. Nature,2010, 464(7288): 504-512.
32. Chen Q, Yan W, DuanE, et al. Epigenetic inheritance of acquired traits through sperm RNAs andsperm RNA modifications[J]. Nature Reviews Genetics, 2016, 17(12): 733-743.