發(fā)布時間：2021-08-24
作者：中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 蔣夢萍 來源：科學大院
你可能聽到過這樣的說法：
“你這么聰明，你媽媽應(yīng)該很聰明吧？”
“你媽媽和外婆這么長壽，你以后肯定也能長壽的。”
這些說法都在討論母親對于后代的影響，而的確也有研究表明，后代的智力、壽命都與母親關(guān)系密切。
圖片來源：Veer圖庫
不過啊，咱們今天這篇文章要科普的并不是這些，而是另外一種跟母親相關(guān)的遺傳現(xiàn)象——應(yīng)激記憶的母系遺傳。
線蟲的應(yīng)激記憶可以跨代遺傳？
受到環(huán)境壓力脅迫時，生物體會產(chǎn)生適應(yīng)性的應(yīng)激反應(yīng)，來抵抗環(huán)境壓力，這種應(yīng)激反應(yīng)能否遺傳給后代呢？
本月初，中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所田燁課題組的最新研究成果對這個問題給出了肯定的回答。他們以封面長文的形式在《自然-細胞生物》（Nature Cell Biology）雜志，在線發(fā)表了題為《神經(jīng)元線粒體應(yīng)激通過提高后代體內(nèi)線粒體DNA的拷貝數(shù)誘導應(yīng)激記憶的跨代遺傳》的文章，報道了線蟲應(yīng)激記憶的跨代遺傳現(xiàn)象。
這線蟲又是何物？熟悉生物學的朋友們可能會知道，線蟲是一種經(jīng)典模式生物，它全身透明，成蟲體長僅1mm，微小的身體卻包含了完整的分化組織，甚至有“大腦”的神經(jīng)系統(tǒng)。
線蟲（圖片來源：keys.lucidcentral.org）
進入21世紀以來，已有六位科學家以線蟲為實驗對象取得成果而獲得諾貝爾獎，這使線蟲成為了生命科學研究領(lǐng)域的Super Star。
而你能想到嗎，一毫米大小的線蟲，居然能夠跨代遺傳應(yīng)激記憶。研究人員曾將亨廷頓舞蹈癥（Huntingdon’s disease）的致病基因表達在線蟲的神經(jīng)元細胞中，造成神經(jīng)細胞內(nèi)的線粒體損傷，跨組織跨細胞地誘導了線蟲的腸道細胞出現(xiàn)了線粒體未折疊蛋白反應(yīng)，簡稱UPRmt——這是線蟲機體的一種保護性應(yīng)激反應(yīng)。這種跨組織的線粒體應(yīng)激的交流可以幫助線蟲更好地應(yīng)對局部的線粒體損傷。
當這些線蟲與野生型線蟲交配后，并未攜帶致病蛋白的野生型子一代中，有30%的個體出現(xiàn)了UPRmt信號的誘導，也就是出現(xiàn)了應(yīng)激反應(yīng)。并且，在出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)的子一代中，有80%的個體會繼續(xù)將UPRmt信號傳遞給子二代。
不可思議的是，研究人員在線蟲的第50代中，仍然觀察到了這種應(yīng)激信號，表明母體的應(yīng)激記憶可以跨代遺傳給后代，甚至在50代以上。
線蟲的應(yīng)激記憶可以遺傳50代以上（圖片來源：參考資料1）
應(yīng)激記憶的遺傳密碼
那這種應(yīng)激記憶是如何實現(xiàn)跨代遺傳的呢？答案就藏在線粒體DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的拷貝數(shù)中。
通常情況下，一個細胞內(nèi)有多個線粒體DNA，即多個拷貝。線粒體DNA的多拷貝性被認為是一種自我保護機制，因為大部分線粒體疾病需要基因突變達到一定比例才會發(fā)生。
比如，母系遺傳病中較常見的線粒體疾病：Leber遺傳性視神經(jīng)病變（LHON）、非綜合性耳聾等，需要基因突變率達到99.5%以上。
當線蟲神經(jīng)元內(nèi)的線粒體受到損傷后，神經(jīng)元會與生殖腺進行信號交流，通過Wnt通路，使后代的線粒體DNA拷貝數(shù)增加。而拷貝數(shù)過多，又會引起線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的失衡，進而誘導機體激活UPRmt，這就是通過線粒體傳遞應(yīng)激記憶的原理了。
實際上，后代線粒體DNA拷貝數(shù)的增加所誘發(fā)的UPRmt，對機體有多重影響。與野生型的同伴相比，這些遺傳了母體應(yīng)激機制的線蟲壽命顯著增加，并表現(xiàn)出對于熱壓力和百草枯的抵抗力。
然而，魚與熊掌難以兼得，這些具有更強抗逆能力與更長壽命的個體發(fā)育遲緩，而且生殖力也下降了。
由于線粒體DNA只能從母親獲得，因此這種應(yīng)激記憶是通過母系遺傳實現(xiàn)的。即使子代并未經(jīng)歷應(yīng)激損傷，卻仍然能夠繼承“母親”的應(yīng)激記憶，站在“母親的肩膀上”，成為更強大的自己。
什么是母系遺傳？它和父系遺傳有何區(qū)別？
那究竟什么是母系遺傳呢？
在回答這個問題之前，讓我們先來了解一下父系遺傳。我們知道，遺傳物質(zhì)主要存在于染色體上，一個普通人體內(nèi)的46條染色體，一半來自母親，一半來自父親。
對于男性而言，從父親處得到的是22條常染色體和一條性染色體Y。一些特定的基因片段只存在Y染色體上，這些片段也只能遺傳給男孩。
這種從父親傳給兒子，伴隨Y染色體遺傳的現(xiàn)象就是父系遺傳，例如，人類的外耳道多毛癥以及鴨蹼病，就是兩種常見的父系遺傳癥狀。
那么，母系遺傳是不是就指一些基因，能通過母親的X染色體傳給女兒呢？
這樣推測可就太簡單了，因為——母系遺傳跟X染色體無關(guān)。
是的，沒有關(guān)系！在遺傳學上，母系遺傳特指上文提到的線粒體DNA遺傳。
人類遺傳物質(zhì)除了存在于染色體DNA，還存在于線粒體DNA（約占總DNA的1%~2%）。
你可能會困惑，父親也有線粒體呀，線粒體遺傳怎么就一定是母系遺傳呢？
這是因為，父親精子里的線粒體特別少，而且受到嚴格的監(jiān)控，在受精之后便會被很快地降解。
因此，從受精卵發(fā)育來的個體，只會攜帶有來自母親的線粒體，而這些線粒體也只會通過女兒傳給后代，這就是母系遺傳，是不是很神奇！
充滿爭議的“線粒體夏娃”
線粒體DNA只能通過母系遺傳，那它的來源究竟是什么呢？
上世紀80年代，加州大學伯克利分校的威爾遜遺傳小組發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代人類的線粒體DNA可以分成兩大類。第一類僅見于一些非洲人中，另一類則分布于包括非洲人在內(nèi)的所有種族中，且最終來源也是非洲人。
經(jīng)過進一步研究，威爾遜研究小組認為，在古老的從前，存在一位人類的共同祖先，所有現(xiàn)代人體內(nèi)的線粒體DNA都來源于這位女性，這就是著名的“線粒體夏娃”。“夏娃”理論一經(jīng)提出，吸引了許多人的關(guān)注，也引發(fā)了巨大的爭議。
當然，我們需要注意，線粒體起源雖與人類起源有一定關(guān)系，但絕不能夠劃上“等號”。
“線粒體夏娃”模型：現(xiàn)代人的線粒體DNA往上可以追溯到一個女性（圖片來源：參考資料4）
“物競天擇，適者生存”，擁有更強的適應(yīng)力，才能在更嚴酷的環(huán)境中生存。
線蟲是幸運的，它們的適應(yīng)能力并不需要再經(jīng)歷一遍母體的“痛苦”就能獲得。線蟲的母體“祖先”，真的是為“子子孫孫”操碎了心。線粒體DNA非常穩(wěn)定，母體選擇它作為應(yīng)激記憶的載體，不可謂不聰慧。
透過線蟲的跨代遺傳，我們看到了生命的傳承，也看到了母親們的偉大智慧。
參考文獻：
[1]Zhang, Q., Wang, Z., Zhang, W. et al. The memory of neuronal mitochondrial stress is inherited transgenerationally via elevated mitochondrial DNA levels. Nat Cell Biol (2021). https://doi.org/10.1038/s41556-021-00724-8
[2]Cann RL, Stoneking M, Wilson AC (1987), "Mitochondrial DNA and human evolution", Nature, 325 (6099): 31-36
[3]Lewin R (1987). "The unmasking of mitochondrial Eve". Science. 238 (4823): 24–26. Bibcode:1987Sci...238...24L. doi:10.1126/science.3116666. PMID 3116666.
[4]https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MtDNA-MRCA-generations-Evolution.svg
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