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知识分子:我们为何生而不同

2017年01月12日 12:01 来源于 财新网
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生命诞生之初,千军万马的精子,各显神通,最后只有一个幸运儿。但我们也不要羡慕那个幸运儿,因为这次胜利只不过是万里长征刚走完的第一步
每个生命生而不同,图片来自NY Daily

  撰文 | 于文强(复旦大学生物医学研究院教授)

  一个婴儿孕于母胎,发育生长,最后出生,这是生命的奇迹,有无穷无尽的奥秘藏在其全部过程当中。

  生命诞生之初,千军万马的精子,各显神通,最后只有一个幸运儿。但我们也不要羡慕那个幸运儿,因为这次胜利只不过是万里长征刚走完的第一步。能否修成正果,还要看受精后的一系列生命事件毫无差错地序贯发生,新生命才得以最终形成。生命的诞生是一场不容任何差错的接力赛,稍有差池,必将万劫不复。

  表观遗传推动着生命的有序变化

  生命有一个共同的特征,那就是必须有一段特定的序列。它们由腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)(或尿嘧啶)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)4个简单的字母组成的DNA或RNA序列。而组成生命的蛋白质,也是由20种不同的氨基酸所组成,它们构成了生命的形态。如果说序列就是生命,这并不准确,例如恐龙、猛犸象等诸多生命早已灭绝,尽管人们仍在努力通过基因扩增技术,尝试获得它们的DNA序列,但至今未获成功。同样地,当一个生命个体死亡后,其DNA序列由于其自身的稳定性,还会存在很长一段时间,这足以说明序列的存续,并不代表生命现象的存在。

  那生命又是什么?生命的另一个特征是有序的变化,人从出生那天起,就要慢慢地长大,所谓的长生不老或返老还童,仅是美好的愿望和梦想,而从老活到小或逆生长,只能在科幻电影或童话故事中才能看到。如果人体静止在某个生长阶段,简直不可思议,从另一个角度来讲,永葆青春的秘诀也许意味着生命的终结。有序变化才是生命永恒的主题。

  ► 变化中的生命。原图来自santabanta.com,有修改

  在变化的生命长河中,是什么因素推动着生命有序变化和生生不息?那就是表观遗传(Epigenetics)。我们从父母那里继承的DNA序列,在我们短暂而又漫长的人生中,它们几乎不会变化,而DNA之外的信息却随时随地在变化着。表观遗传简单地来说,就是不依赖于DNA序列的遗传。

  它包括3个各自独立又相互关联的方面:即DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA的调控。有人说,生命现象不仅要有变化,生命还必须对外界的刺激做出反应。同卵双生的双胞胎尽管有相同的DNA序列,但他们总会存在这样或那样的不同。同样我们知道,世界上没有一片相同的树叶,即使在同一颗树上,我们也很难找到一模一样的叶子,这些用遗传学理论很难解释的现象,用表观遗传学知识即可迎刃而解。

  生物体对外界环境变化的响应是生命现象的另一个重要特征。生物体中内在表观遗传学变化正是生命自身对外界环境的忠实记录和总结,所以从这个意义上来说,表观遗传学是连接生命衍变与环境响应的桥梁。

  ► 表观遗传学的三足鼎立,原图来自biomedicalcomputationreview.org,有修改

  生命之初,表观遗传就已执行任务

  伴随着新生儿的第一声啼哭,一个新生命诞生了,我们的人生旅途也就此开始。人们习惯于将出生的那一天看成是新生命的开始,但这仅是社会属性赋予的意义。一个人生物学意义上的生日即真正起点,应该是精子和卵子结合的那一刻,它形成了一个独一无二的新细胞,所以受精卵才是新生命的开端。受精卵经过第一次细胞分裂,形成2个细胞,然后经过4细胞期、8细胞期,最后到囊胚期,经由输卵管进入宫腔,埋在子宫内膜中,着床发育,这个过程就像种子扎到土壤中一样,最后发育成一个新的生命个体。

  新生命的诞生并不像我们描述的那么简单,而是要具备天时、地利、人和。所谓天时,因为卵子排出后仅可存活1天,而且只有前半天有受精能力,精子必须在这个时候遇到卵子才能受精,也就是在合适的时间遇见正确的人。

  所谓地利,我们知道卵细胞直径大小约0.2毫米,而精子的总长度约为0.05毫米。如果将输卵管比作高速公路的话,大部分精子在这场马拉松式的长跑中,只能遗憾地与卵子擦肩而过,失去受精的机会。

  不仅如此,输卵管中的环境也是受精卵细胞进行发育的重要条件,因为在体外普通细胞培养条件下,受精卵根本就不会分裂,即使勉强到二细胞期也会停止分裂,称为“二细胞魔咒”。现在广泛使用的干细胞培养基配方也是得益于对输卵管液的成分解析才获得的启示,否则目前如火如荼的干细胞领域就不会出现,造福于不孕不育家庭的试管婴儿也不知道会等到什么时候。

  所谓人和,就是受精卵在分裂到4细胞时必须要有一个没有遗传缺陷的正常细胞。有研究表明,在胚胎早期的4细胞期中经常有3个细胞都是不能正常发育的“坏”细胞,它们存在染色体断裂或缺失,可能原因是胚胎早期全基因组DNA低甲基化导致的染色体不稳定。想象一下,最后那个没有缺陷的细胞“独苗”,还需要经过近10个月的发育,才能真正地形成一个完整的生命个体。

  从这个角度来讲,每一个出生的个体都是自然选择的胜利者,生命历程中的幸运儿。所以,我们的人生历程和“历经磨难的出生”比起来,简直不值一提。尚未出生,我们就趟过千难万险。

  新生命的不同凡响的“新”意义

  每一个生命的诞生,我们总将其称之为新生命,但“新”在哪里,或者说我们与父母亲有哪些不同。从遗传学上讲,生命的“新”是因为我们将父母遗传物质合二为一,数学公式:1+1=1,在此条件下依旧成立。细胞中的46条染色体一半来自父亲,另一半来自母亲,依此看来我们是“新人”。但我们的兄弟姐妹也同样继承了父母各自一半的遗传物质,跟他们比起来,怎么理解我们依然是“新的”,尤其是同卵双生的双胞胎?虽然他们的遗传物质相同,但还是有这样或那样的不同,形似而神不似,看来仅从遗传学上很难理解一个崭新的生命。

  从另一个角度看来,在新生命的诞生初期,受精卵的发育分化经历了巨大的表观遗传学变化。人体DNA序列的A、T、C、G 4种碱基,其甲基化一般发生在胞嘧啶上,其检测和功能研究是表观遗传学的重要核心内容。利用DNA甲基化抗体进行免疫荧光检测发现,在胚胎发育早期全基因组DNA甲基化明显减少,父原核的DNA甲基化最先去除,在4细胞期DNA甲基化仅剩下为数不多的荧光斑点,这种低甲基化状态一直维持到囊胚期,当胚胎在子宫着床后DNA甲基化迅速得以恢复。

  ► 眼见为实:小鼠胚胎早期DNA甲基化的擦除,图片来自Mayer et al, 2000

  需要强调的是,虽然来自父母的甲基化都要经历一个去甲基化的过程,但是去甲基化的速率明显不同,单碱基分辨率的全基因组DNA甲基化测序分析发现,来自父原核的DNA甲基化36小时内降到最低,但是来自母原核的DNA甲基化去除需要较长时间,这提示来自父母双方的甲基化去除并不同步。事实上,胚胎细胞的DNA甲基化并不是需要全部去除,大约会保留20%左右,这一点非常重要,至少目前认为印迹基因DNA甲基化必须受到特殊保护并确保不被去除,因为印迹基因保证了某些基因分别从父源或母源表达,这才有了新生命的诞生过程中爸爸妈妈一个都不能少的说法,而这些DNA甲基化对维持印迹基因表达调控具有重要作用。

  ► 甲基化的一降一升,彰显生命的更替,图片来自 Wu et al, 2010

  我们不禁要问,为什么在胚胎早期发育中,来自父母的基因组DNA甲基化要经历一个去甲基化过程,然后又要恢复到一个正常的甲基化水平,一个较为经典的解释就是我们每一个新生命必须将父母的表观遗传学特征全部去除,然后在此基础上形成我们每一个生命个体独特的甲基化谱系,进而造就我们独一无二的新生命,这种解释看似合理,其实还需要大量实验佐证。

  甲基化一降一升,彰显生命更替

  胚胎早期的DNA去甲基化,然后再甲基化到一定的水平,这一独特的生命现象有其他生物学意义吗?有研究表明,如果阻断胚胎早期的DNA去甲基化过程,胚胎的正常发育就会停止。同样的道理,如果用DNA甲基化的抑制剂处理细胞,降低全基因组DNA甲基化水平,将有效促进iPS细胞的形成或提高核移植的效率,说明DNA的去甲基化过程是胚胎发育的重要前提条件。

  另外一个很重要的问题是,胚胎早期的去甲基化过程是一个主动的过程还是一个被动的过程,目前的证据倾向于DNA去甲基化在胚胎发育中是一个主动的过程,至少父源基因组是通过一种去甲基化酶Tet3介导的,这种酶会将甲基化的胞嘧啶转变为5-羟基胞嘧啶再经过一系列的氧化过程,最后通过DNA的碱基切除、修复,完成DNA的去甲基化。母源性的基因组有部分证据显示是通过细胞分裂被动稀释完成去甲基化过程的,但更多的证据支持母源性DNA也存在主动的去甲基化过程。

  令人不解的是,胚胎早期Tet3介导的DNA去甲基化过程的最后一步,是通过DNA的碱基切除修复完成的。在精卵结合后的36小时内完成大量碱基切除、修复且要维持基因组的稳定,似乎又是一个不可能完成的任务。令人费解的是,早期胚胎发育中为什么要冒破坏基因组稳定这么大的风险来完成DNA的去甲基化过程,所以有人提出胚胎早期DNA的去甲基化过程,也许存在由其他因子介导的直接的或一步到位的去甲基化过程,而这需要更多的证据加以证明。

  ► Tet3介导的一个神奇过程,图片来自Kohli et al, 2013

  有意思的是,生殖细胞在发育过程中也要经历一个全基因组DNA甲基化的去除再恢复的过程,有证据表明Tet3也参与了这一过程,而DNA甲基化的恢复在男孩和女孩间有所不同,男孩在出生后生殖细胞的DNA甲基化就得到恢复,而女孩要等到月经初潮时DNA甲基化才完全恢复,而这其中的机制目前尚不清楚。生殖细胞的DNA甲基化的动态变化更加凸显了生命的神奇之处,我们的下一代已经将尚处在胚胎时期的个体DNA甲基化去除,然后形成生殖细胞特有的DNA甲基化模式,如此循环往复,保证我们生命延续过程的一次又一次更新,一代又一代的相似而不同。

  ► 青出于蓝而胜于蓝的奥秘,图片来自Smallwood et al, 2012

  DNA甲基化作为重要的表观遗传学标志在胚胎早期的变化,揭示了我们个体不同于父母的表观遗传学修饰。而组蛋白修饰作为另一种表观遗传学的调控方式在胚胎早期同样经历了一些列的变化。来自精子参与基因激活的组蛋白修饰H3K4me3会在受精卵中被擦除,而卵细胞中的一种较为宽泛的组蛋白修饰H3K4me3(非经典修饰)在受精卵的早期,短暂保留后,在二细胞末期也会被迅速擦除,然后胚胎再建立起新的经典H3K4me3模式。

  与DNA甲基化动态变化不同,这种新的组蛋白修饰模式不是在胚胎着床后才建立,而是提前到二细胞末期就逐步建立起来。进一步的研究发现,参与基因沉默的组蛋白修饰H3K27me3则呈现不同的动态变化。首先精子来源的组蛋白修饰H3K27me3在受精后很快被擦除,而卵子来源的H3K27me3仅在发育相关基因的启动子区域在受精后很快被擦除,而后在胚胎着床后这种组蛋白修饰H3K27me3又会重新建立,看来卵子来源的这种和基因沉默有关的修饰与DNA甲基化相类似,从而形成生命个体独有的表观遗传学模式,开启生命延续的新征程。

  ► 组蛋白修饰为新生命标新立异,图片来自Zheng et al, 2016

  新生命,新起点,探索永在路上

  作为一个新生命,我们总想知道我们到底与父母亲有哪些不同,这些不同又是如何形成的?每一个独立的个体不仅从父母那里继承了许多共同的东西,也有义务将他们遗传下去,这里面既包含了遗传学的特性,也包含了表观遗传学的特征,它们共同记录了父母和祖辈的生活轨迹。同时我们也与父母不同,我们是一个独立的新生命。鉴于遗传学与表观遗传学存在相互作用和关联,父母不同的遗传物质会相互影响,进而改变特定位点表观遗传学状态,从而使我们有的地方像母亲多一点,有的地方像父亲多一点。

  ► 彩虹家庭,图片截自dailymail.co.uk

  通过测定父母和子女外周血中某些特定细胞的基因组和表观基因基因组学特征,进而找出父母亲特征性单核苷酸多态性(SNP),它决定了我们人与人之间的不同及患某种疾病的风险。根据这些来自父源或母源的SNP,我们可判定来自父源或母源基因在子代的表达以及DNA甲基化情况。在此基础上,我们就有可能判断哪些特征来源于父母亲的继承,哪些是我们独有的表观遗传学特征。

  如果用不同品系的小鼠来完成这项实验,就可以用更多的器官组织来验证子代与亲代遗传与变异,其差别有多大,新生命到底有多“新”。新的生命,新的起点,探索永远在路上。我们不仅想知道新生命“新”在哪里,更想知道为什么是“新的”以及如何完成“新的征程”。

  参考文献

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责任编辑:于达维 | 版面编辑:李丽莎
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