人類表觀遺傳學是否值得仔細研究

編譯 劉迪一

黑松露是表觀遺傳學家安德里亞·巴卡雷利（Andrea Baccarelli）的偏愛。根據這位現任哥倫比亞大學梅爾曼公共衛生學院環境健康科學系主任的說法，他的父母也喜歡黑松露，祖父母甚至曾祖父母亦然。他懷疑自己可能順著某種生物學機制繼承了前幾代人的偏好，又或者，這種多代人的塊菌之愛似乎與生活環境有關：他們作為盛產黑松露的意大利翁布里亞地區的居民，家宅周圍常有黑松露。

巴卡雷利將自己對黑松露的喜愛歸因于在翁布里亞度過的童年時光。遺傳有其復雜微妙之處，研究者就“遺傳的先天與后天”所展開的辯論從未停止，確定性的基因序列和不斷變化的環境影響時常呈現學術上對立的態勢。但鑒于二者之間錯綜復雜的相互作用，越來越多的科學家批評這種二元對立過于簡單粗暴。過去幾十年間，關于遺傳的科學和公共對話一直努力嘗試探究一個獨立的、非基因序列維度的遺傳。

這種轉變是由對表觀遺傳學產生濃厚興趣的科學家推動的。所謂表觀遺傳學研究就是對DNA序列以外的、影響基因表達方式的蛋白質和其他因素的研究。

在新千年初，隨著研究人員深入了解基因調控的分子機制，相關論文越積越多，我們意識到DNA甲基化、非編碼RNA和其他元素的變化可能提供了一種別樣遺傳機制：一個人暴露于某些環境因素，例如有毒化學物質、創傷，或是包含大量黑松露的飲食，可能令其某些性狀（健康和行為方面）發生代際甚至隔代遺傳。

表觀遺傳學的種種發現與一個古老且早為主流所棄的觀點相呼應。兩百多年前的法國博物學家讓-巴蒂斯特·拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）和蘇聯農學家特羅菲姆·李森科（Tro fi m Lysenko）等人都曾堅持這樣一種主張：一個人后天獲得的特征是可能被遺傳的。

到了21世紀10年代中期（表觀遺傳學研究的熱度在這個時期達到高峰），美國馬薩諸塞大學醫學院的研究員奧利弗·蘭多（Oliver Rando）于《科學家》（The Scientist）雜志發表觀點稱，我們發現拉馬克等人那個原本不受歡迎的理論“可能并非完全不合時宜”。

眼下，表觀遺傳學的各家理論呈現非常多樣而復雜的面貌，而它們所基于的假設往往飽受爭議。批評者指出，雖說似乎確有證據表明動植物（不包括人類）存在某些表觀遺傳情況，但學界尚不確定環境對人類表觀基因組的影響有多大，也不清楚它的變化會在多大程度上影響基因表達。更重要的是，現在很多科學家認為，哺乳動物表觀基因組的影響大部分在兩次重組過程中被清除了，一次是在卵子受精過程中，另一次是在卵子/精子細胞的形成過程中。這挑戰了“表觀遺傳改變可以產生代際甚至隔代影響”的觀點。

部分研究人員提出質疑：在考慮基因、文化和其他現有因素后，演化生物學是否還需要額外的遺傳機制來解釋某些特征為什么能跨越多代持續存在？

荷蘭萊頓大學醫學中心的生物醫學數據科學家巴斯·海曼斯（Bas Heijmans）給出的答案是否定的：“基于我們所擁有的這些看起來相對合理的數據，我認為表觀遺傳并不存在?！背钟蓄愃朴^點的學者不在少數，他們認為這門曾備受關注和贊譽的“異類”遺傳學似乎是一項“注定失敗的努力”，一種失去了證據支持的現象。

不過盡管遭遇種種批評，許多研究者并沒有放棄“上一代人的環境可以通過表觀遺傳機制影響下一代人”的可能性。雖然并無強有力證據顯示這種影響會在人類群體內大規模發生，但根據部分學者的說法，如果掌握更多流行病學和有關機制的數據，我們可能會收獲一些好消息。

美國南加州大學的環境流行病學家嘉莉·布雷頓（Carrie Breton）表示：“我有點懷疑我們可否通過表觀遺傳學解釋很多遺傳現象。但當我們談論環境暴露導致可能影響健康風險的表觀遺傳變化，以及這種個體效應是否持續時，我確實認為有越來越多證據支持這一點。即使此類情況極少發生，但只要有環境暴露微調了生物體內的幾個可能仍對自己有害的基因座，表觀遺傳就可能繼續下去?！?/p>

探究環境毒素如何引發DNA甲基化與基因表達變化的巴卡雷利也持類似的觀點。根據他的說法，21世紀初期的許多研究，尤其與動物模型中的跨代遺傳有關的研究，都沒有被重復實現，而且通常難以用于解釋人類研究。

科學挖掘隊列數據，尋找關聯

瑞典奧佛卡利克斯市有一個北極駝鹿養殖場。人們在那里可以欣賞到壯麗動人的北極光。但對于科學界，這片斯堪的納維亞半島北部的森林區是收集歷史記錄數據集的勝地。這些數據包括20世紀初出生的當地居民以及后代的出生和死亡日期、死因信息、家譜記錄、谷物價格以及糧食收成等等。奧佛卡利克斯是瑞典的偏遠之地，當地居民長期都處于艱難維持生存的狀態，往往每隔數年就會遭遇嚴重歉收以及隨之而來的饑荒。21世紀初期，瑞典科學家收集分析了數百個居民的數據，試圖解決一個看似簡單的問題：一個人年輕時候的飲食習慣是否影響他們孫子孫女的健康？

研究結果顯示，那些年幼時不愁吃喝的祖父相比經歷過饑荒的祖父，其孫輩更有可能因糖尿病喪生。鑒于此，研究團隊得出了肯定的答案。而且由于分析對象僅僅是三代人，他們身上集中出現大規模遺傳變化的可能性不大，因此作者在論文中推測，關聯現象背后的機制可能是表觀遺傳：也許是由某種飲食驅動的祖父生殖系的變化。

幾年后，這些結果得到擴展：多項新研究都報告了祖輩營養與孫輩健康之間的關系；同期發表的動物實驗結果似乎也與之呼應，例如向小鼠喂食高脂肪飲食對其下一代、兩代甚至三代產生了代謝或體型方面的影響。

上述研究提供了關于人類表觀遺傳的可信證據，或者說，某種“陷阱”。是證據還是陷阱，取決于我們的視角。例如，批評者指出，在最早的那份奧佛卡利克斯研究中，作者團隊選擇的小隊列可能包含多對直系兄弟姐妹-堂/表兄弟姐妹，這意味著針對所謂祖父母-孫子孫女的觀察并不完全精準；此外，作者還同時分析多種健康結果，增加了它們與祖父母飲食呈現統計學顯著關聯的可能性。用更通俗的話說，研究數據不夠全面和準確。盡管有幾項工作收集了關于父母收入、教育和其他社會文化因素的信息，但調查者們可能還是沒能就他們發現的關聯找到其背后的真正原因。

布雷頓指出，此類問題廣泛適用于任何將環境因素與人類健康結果聯系起來的研究?！拔覀冊噲D分析盡可能多的、在我們看來最重要的事情……但毫無疑問，我們無法量度所有重要內容。而且即便是那些被我們分析了的因素，分析質量也有待商榷?！?/p>

環境流行病學家目前正試圖通過從大規模、多代人群處收集更多信息（在某些情況下，還包括生物樣本信息）來開發更好的數據集。布雷頓表示，雖然這些研究仍然是觀察性的，但它們可以就前幾代人反復經歷的環境暴露與其健康結果之間的特定聯系，給出支持或駁斥的結果，幫助科學家進行判斷。

“環境對兒童健康的影響”（ECHO）項目是一個由美國國立衛生研究院（NIH）資助的數據網絡，囊括了來自全美70多個兒童及其家庭成員隊列，以及50 000多名兒童的信息。負責ECHO南加州大學數據站點的布雷頓表示，研究人員從幾十年前就開始跟蹤一些群體，有的人現在已經在收集第三代的數據了——這些數據可用于調查長輩的早期生活是否影響他們的子輩或孫輩。目前，布雷頓和同事正嘗試通過分析面頰拭子樣本，評估三代人中DNA甲基化模式（這仍是表觀基因里被研究最多的部分）的一致性。

一些調查代際和隔代健康影響的隊列網絡已經開始發布數據。由NIH研究員斯蒂芬妮·倫敦（Stephanie London）及其同事于 2018年成立的妊娠和兒童表觀遺傳學（PACE）聯盟旨在整合近40項正在進行中的兒童-父母研究?；谇拔奶岬降男∈蟾咧撅嬍逞芯匡@示雄性的高脂攝入與其雌性子代的胰島素分泌受損，以及某些胰腺細胞內出現DNA甲基化特征有關的研究發現，PACE小組將自己掌握的大量數據與來自其他隊列的信息相結合，以挖掘父輩BMI指數與子輩DNA甲基化模式之間可能存在的關聯。通過分析近7 000份血液樣本（新生兒臍帶血和年齡較大兒童的血液）后，小組成員發現“幾乎沒有證據”表明任何關聯；但由于DNA甲基化模式因細胞類型和組織而異，作者在論文中強調，結果并不能完全排除相關聯的可能。

一些較小規模的觀察工作也提供了重要信息，例如英國的“埃文河父母與孩子的跟蹤研究”（ALSP）和挪威的“母子隊列研究”（NMCCS）。雖然此類研究出現了某些半一致性模式，例如，祖輩吸煙與孫輩哮喘之間的關聯，以及更有爭議的父母早年創傷與兒童心理健康之間的聯系，但大多數人都認為尚不可排除混雜因素對兒童健康的影響，例如產前暴露、后天撫育等。

精子研究暗示環境對生殖系的影響

理查德·皮爾斯納（Richard Pilsner）從大約十多年前與妻子計劃生孩子時就開始思考精子的表觀遺傳學。接受過環境健康科學訓練的皮爾斯納曾告誡妻子，包括吸煙在內的一些行為可能影響受孕或胎兒發育。加入馬薩諸塞大學阿默斯特分校后，他決定深入研究父母環境與兒童發育之間的潛在聯系。

2014年，皮爾斯納和同事發起了“精子環境表觀遺傳學和發育研究”（SEEDS）。研究小組在征得參與者同意的情況下使用來自體外受精診所的剩余樣本，以研究父親的生活環境與其精子的表觀基因——以及未來可能的某一天，他孩子的表觀基因和健康狀況——之間的關系。

從研究父母環境如何影響后代的角度來看，對精子的關注相當關鍵。首先，父親不給子女提供產前發育環境，避開了子宮內暴露所帶來的一些混淆效應。（業內學者普遍質疑有些研究將產前影響與代際和隔代影響混為一談。）此外，它可以幫助研究人員追蹤跨代傳遞的物質。以精子為中心的方法被越來越多地用于動物研究。一項基于嚙齒動物模型的精子表觀遺傳學研究發現，負面經歷（例如創傷或接觸有害化學物質）和正面經歷（例如運動）會影響精子中DNA甲基化和RNA修飾水平，也可在后代測量到變化。

皮爾斯納的小組已經完成了幾項使用SEEDS數據集的研究。此前有學術團隊發現，接觸許多日常塑料里的化學物質會改變嚙齒動物精子的DNA甲基化。而皮爾斯納和同事跟進此報道，開展了一項小規模研究。他們使用尿液樣本測量了近50名男性接觸鄰苯二甲酸鹽的情況，在接觸化學物質者的精子DNA中，確定了130多個基因組區域（其中許多區域位于參與生長發育的基因周圍）存在甲基化差異。

最近，研究人員探索了另一個可能影響兒童健康狀況的風險因素：高齡得子的父親。一些學者曾報告父親高齡與孩子遭遇某些癌癥和神經發育障礙風險之間的聯系。關于此，雖然科學家提出多種機制用于解釋現象，包括累積突變和精子DNA結構完整性降低，但皮爾斯納小組發表的數據證明，精子甲基化也可能在其中發揮作用：父親年齡與參與胚胎發生和神經發育的基因的特定表觀遺傳模式有關。

我們很難通過上述研究判斷，精子中出現的表觀遺傳變化是否會持續至受精以后，或對后代產生生物學影響。事實上，一部分嚙齒動物研究顯示，暴露于風險因素的雄性精子里的DNA甲基化改變會在下一代完全恢復。但皮爾斯納等人最近的一項小鼠實驗報告稱，雖然精子和新受孕胚胎細胞之間確實存在DNA甲基化模式的差異，但后者與前者的模式差異始終一致?！拔覀兛吹脚咛ダ锏淖兓染又械亩嗟枚?，有某種信號在傳遞?！逼査辜{現正與加拿大麥吉爾大學的表觀遺傳學家莎拉·金明斯（Sarah Kimmins）合作，后者團隊分析發現，小鼠精子的組蛋白（將DNA包裝成染色體的蛋白質）甲基化變化可以傳遞至胚胎。

瑞士蘇黎世大學和蘇黎世聯邦理工學院的神經表觀遺傳學家伊莎貝爾·曼蘇伊（Isabelle Mansuy）表示，這種更全面的表觀遺傳學方法越來越受研究者歡迎。曼蘇伊最近回顧總結了100多項關于環境暴露的潛在代際和隔代影響的研究。用他的話說，表觀遺傳的途徑可能非常復雜，并非嚴格的一對一DNA甲基化拷貝，“我希望人們不要認為只存在一種機制”。

表觀遺傳學家羅曼·巴雷斯（Romain Barrès）任職于丹麥哥本哈根大學和法國蔚藍海岸大學，也是“對抗肥胖生殖細胞/配子表觀遺傳學聯盟”（GECKO）的負責人。他持與曼蘇伊類似的觀點：“我們認為表觀遺傳修飾相互影響，如果你只研究局部區域（例如只觀察血液的）的DNA甲基化，可能會錯過全貌。未能找到跨代遺傳的信號并不意味著這個信號沒了，或許它被整合到了另一個表觀遺傳標記中，例如小RNA（sRNA）或染色質構象?！?/p>

巴雷斯的團隊了解表觀基因組可能隨時間改變的事實，并一直嘗試研究特定生活事件，而非終生暴露。幾年前，他們追蹤了因肥胖而接受減肥手術的人，試圖尋找其精子中DNA甲基化模式的變化。巴雷斯等人借助數據集，發現苗條和肥胖男性的精子DNA甲基化模式和非編碼RNA水平呈現差異。他們使用新隊列，發現病態肥胖男性在接受手術后僅一周就表現出精子DNA甲基化的重塑，且重塑程度到一年后更深，尤其是在與食欲控制相關的基因組區域。作者在論文里指出，這些區域當中的一部分，恰是苗條與肥胖男性呈現差異的基因組區域。

巴雷斯現正與澳大利亞的學者合作，開展一項針對人類的罕見實驗：他們讓一對成年男性同卵雙胞胎各自接受加工食物和未加工飲食，之后要求其提供精子樣本，用于分析DNA甲基化、非編碼小RNA水平和染色質結構。巴雷斯承認：“有很多問題是無法只從精子本身著手就可解決的，但如果我們能發現生殖細胞中用以應對營養壓力的表觀遺傳特征的共同點，并確定擁有更多此類 ‘抗壓’ 共同點的男性，其后代也擁有應對營養壓力的特征，那么我們就可以建立一個模型，嘗試確定這種關聯性是否為因果性?！?/p>

不少科學家都表示，更多的實驗方法對表觀遺傳學研究有好處。研究人員越來越多地嘗試在動物模型中調節表觀基因組，而非簡單地觀察它。曼蘇伊等人報告稱，將小鼠精子細胞內的RNA注入卵子或胚胎，觀察引起動物的生理或行為變化。巴卡雷利指出，新型基因編輯技術也可助研究者編輯DNA甲基化模式?！拔艺J為眼下擺在表觀遺傳學面前的一個重大機遇就是表觀遺傳編輯。你能編輯某個甲基化位點，然后觀察基因表達的情況，看看發生了哪些表型變化?！?/p>

仍在等待答案的領域

隨著科學數據越積越多，關于“表觀遺傳理論的哪些方面可能適用于人類”的爭論也逐漸升溫。許多科學家感到遺憾，因為他們看到這個領域有很多炒作、誤報以及毫無意義、曖昧模糊的專業定義（尤其是關于代際效應和隔代效應的區分）。另一方面，一些同行認為他們的工作遭受了過度詆毀。曼蘇伊表示：“許多人都不知道，要讓表觀遺傳研究得到認可是需要付出巨大努力的。相比更經典的領域，在這門學科中收集數據和發表論文需要付出更多心血和時間?！甭K伊近年來在為哺乳動物表觀遺傳項目尋求資助時遇到了諸多困難。

其他科學家表示，他們為表觀遺傳概念的失敗做好了準備，失敗的原因要么是相關機制在人類中極為罕見，要么是表觀遺傳對發育的影響相比其他因素小到忽略不計。

在海曼斯看來，如今人們對表觀遺傳的興趣相較幾年前減弱了，但這種情況倒是能推動表觀遺傳學家們將精力集中于更加務實高產的研究方向上。海曼斯一直致力研究產前或生命早期環境如何影響表觀基因組，以及表觀遺傳改變可否用作生物標志物來預測某人一生的疾病風險，從理論上講，這可以“幫助我們識別易受傷害的個體，并監測其健康狀況”。這類表觀遺傳學的應用與人類密切相關，是這門學科未來發展的方向。

資料來源 The Scientist