互动科普

环境伤害会遗传

有害化学物质、压力以及其他外界影响，

能够在不改变基因序列的前提下，

永久地改变基因表达。

这种“表观遗传”的变化还会传递给后代，并可能导致疾病。

撰文 迈克尔 · K · 斯金纳（Michael K. Skinner） 翻译 吴中洋

我当然知道DNA并不能决定一切。小孩的许多特征，确实可能取决于父亲或母亲的基因——尤其是那些编码蛋白的基因。基因序列决定了蛋白质的形态和功能，而蛋白质又是细胞最主要的“生产力”。但除此之外，后天的养成也非常重要。生命中许多偶然事件，比如我们吃什么、环境中有哪些污染物、我们感受到的压力，都会影响基因的运作。比方说，我们经常用社会和环境的影响来解释，为何同卵双胞胎会患上不同的疾病——尽管他们具有高度相似的基因序列。

但以前我们并不知道，我们赠与孩子们的“生物遗产”并不只是基因序列。事实上，不光我们的孩子，我们的孙子和曾孙都可能从我们身上继承所谓的“表观遗传信息”（epigenetic information）。表观遗传信息同样存在于染色体中，也能调节细胞的功能——这与DNA是相同的。不过，这种遗传信息与DNA是完全不同的两码事。表观遗传信息能够随着环境的变化而发生改变，它有许多种不同的形式——既可以是结合在DNA上的小分子，也可以是连在染色体上的蛋白质。

我们和其他一些实验室在大鼠和小鼠实验中发现，一些污染物——包括农业化学物质、喷气发动机燃料，甚至一些普通的塑料，都能在不改变基因序列的前提下诱发某些表观遗传修饰反应，这些反应能够诱发疾病和生殖问题。更令人吃惊的是，一旦这些“表观突变”（epimutation）发生在能够转变为卵子或精子的细胞中，它们就将稳定地遗传给后代，再也不会消失；而一同遗传给后代的，还有表观突变可能带来的健康风险。

表观遗传领域的研究正在快速向前推进。科学家对人类进行的长期研究暗示，表观突变也可能在人类中跨代遗传。考虑到我们和其他哺乳类动物有许多共同的生物特征，那么，如果人类的表观特征可以跨代遗传,也在情理之中。如果真是这样，这将对公共卫生产生深远的影响。那些在“婴儿潮”时期诞生的孩子，之所以会患上肥胖症、糖尿病等近年来发病率持续上升的疾病，很可能是由于他们的父母或祖父母曾经接触过诸如DDT（dichloro-diphenyl-trichloroethane，即二氯二苯三氯乙烷）和二噁英（dioxins）之类的污染物。

基因组“暗物质”

我们很早以前就观察到了细胞中的表观效应，但直到最近，科学家才逐渐明白这种效应的重要性。生物学家几十年前就注意到，哺乳动物的许多DNA位点都存在甲基化效应。人体内的这些表观遗传标记，大多出现在排位于鸟嘌呤（G）前的胞嘧啶（C）上。染色体上共有约2 800万个这样的表观遗传标记（epigenetic mark）位点。科学家起初认为，DNA甲基化的主要功能是关闭转座子（transposon）。转座子是一种危险的DNA片段，可以在染色体的不同位置间“流窜”，有时会导致疾病的发生。现在我们知道，甲基化也能调节正常基因的表达，我们在多种癌症和其他疾病中，都发现了异常的DNA甲基标记。

上世纪90年代，研究人员开始探究甲基以外的表观遗传标记的作用。他们发现，甲基化、乙酰化等其他几种化学修饰，能对一种名叫“组蛋白”（histone）的结构进行标记。组蛋白由多种不同类型的蛋白质构成，呈串珠状结构。DNA一圈圈缠绕在组蛋白周围，上面的表观遗传标记可以控制DNA缠绕的松紧程度，决定相邻“串珠”在空间上的距离，由此有效调节基因的表达与沉默。例如，表观遗传标记可以将严重受损的基因“隐藏”起来，把那些可以激活这些基因的蛋白“拒之门外”。

随后，表观遗传的其他“主角”也相继出现在舞台上，这其中包括DNA、染色体，以及非编码RNA（noncoding RNA，一类不编码蛋白质的RNA）的三维结构。这些三维结构随时都在发生变化，而一些非编码RNA，还可以与DNA和组蛋白上的表观遗传标记相互作用。

以上诸多因素都无关DNA序列，并且都在以复杂的方式，共同影响着基因的表达。基因和表观遗传组（epigenome）间的相互作用是动态的，并且依然显得十分神秘。但我们的确知道，细胞每复制一次，染色体上的表观遗传标记都会复制到子代细胞中。如此一来，发生在生命早期的表观遗传事件，就可以改变细胞在生命后期的行为。

我们也知道，尽管细胞不遗余力地防止DNA序列发生突变，但却会在机体发育和衰老的过程中，改变表观遗传标记的模式。这些改变，可以帮助细胞决定分化的方向（例如变成皮肤细胞或脑细胞）。表观遗传标记的微小变化，还能决定哪些基因能在身体的哪些部位发挥作用。有害化学物质、营养不良以及其他环境压力，也能够引起表观遗传标记的增加或消失，影响基因的表达。

如今，没有人怀疑表观遗传在发育、衰老甚至癌症中的关键作用。生物学家现在的争论焦点是，哺乳动物体内的表观突变（即非正常的表观遗传改变）是否可以多代遗传？近年来，有关表观遗传学的研究呈现井喷，我们和其他团队获得的证据已令我确信，表观突变确实能够代代相传。

意外的遗传

我第一次窥见表观突变的多代遗传现象，还要感谢一次意外的“事故”。大概13年前，我和安德烈娅·卡普（Andrea Cupp），以及华盛顿州立大学的一些同事，在大鼠身上研究杀虫剂甲氧氯（methoxychlor）和杀真菌剂乙烯菌核利（vinclozolin）对生殖系统的影响。这是两种应用广泛的农药。和其他许多农药一样，它们可以破坏内分泌系统：生殖系统的形成和运作需要激素给予信号，而这两种化学物质会干扰相关的激素。我们将甲氧氯和乙烯菌核利注射到怀孕两周（正好是胚胎发育生殖腺的时候）的大鼠体内，并对它们产下的幼鼠进行研究，结果发现，所有雄性后代的睾丸都不正常，它们的精子数量极少，并且都不健康。

那时，我们还未曾考虑表观遗传在其中发挥的作用，也从没想过这些缺陷会遗传给后代。所以，我们没有让这些在胚胎时期就被甲氧氯或乙烯菌核利伤害过的大鼠继续繁育后代。但一天，库普到我的办公室“承认错误”：她一不小心，让这些大鼠的一些没有亲缘关系的后代交配了。

虽然并不期待她有任何发现，我还是让她去检查一下，这些经过“缺陷化”处理的大鼠的孙辈究竟长得怎么样。令我们惊讶的是，在第三代的大鼠幼崽中，超过90%的雄鼠表现出了与其父辈相同的睾丸异常。

以上发现的惊人之处在于，许多毒理学研究都在寻找环境化学物质（environmental chemical，如甲氧氯）引起DNA突变的证据，但却一无所获。我们的实验结果也确凿地说明，化学物质并没有提高大鼠DNA的突变频率。并且，在90%的情况下，许多物种表现出的新型表征都无法用经典遗传学来解释。

然而我知道，这些微小的胚胎中也存在原始的生殖细胞。这些细胞可以发育成精子或卵子。我猜想，化学物质极可能直接影响了某些原始生殖细胞，而这些异常的原始生殖细胞，又最终发育成了异常的第三代。如果事实真是这样，亲代与化学物质短暂的接触，就可能直接导致第三代雄鼠的睾丸异常，但是，第三代以后的大鼠应该是完全正常的。

有一种非常可靠的方法，可以检测我的猜想是否正确——我们繁育出了第四代和第五代大鼠。为确保后代的表观遗传特点不被“稀释”，我们每次都选择没有亲缘关系的、经化学品处理过的大鼠的后代进行交配。当第四代和第五代的大鼠发育成熟后，我们发现，每代雄鼠都产生了与祖辈类似的问题。

这一切，都要归咎于它们的祖辈在胚胎时期接触到的农业化学物质。与此相似，我们人类也可能从水果、蔬菜、葡萄庄园中，以及高尔夫球场上接触到农业化学物质。我们与之接触的时间虽然非常短暂，但是，这些化学物质的剂量却高得反常。

这些结果使我非常震惊。为证实以上结果，并收集更多证据，我们在过去几年间多次重复了这个实验，最后得出结论：最为可信的解释是，化学药品引起了胚胎的表观突变，干扰了雄鼠的性腺发育，而且这类表观突变会随着精卵融合，传递至发育中的胚胎细胞——其中包括胚胎内的原始生殖细胞，然后代代相传。2005年，我们在《科学》（Science）杂志上发表了这些结果，提出了我们的“表观突变假说”。我们的证据引人注目，但也非常原始：动物接触杀真菌剂后，其后代精子的几个重要DNA位点上的甲基化水平会发生改变。

复杂的关联

一场暴风雨般的激烈争论接踵而至。人们争论的理由之一是，出售乙烯菌核利的公司和一些非商业性的研究机构，均无法重现我们的结果。这可能是因为他们使用了不同的实验方法——比如把动物与化学物质的接触途径变为口服给药、使用了近亲繁殖的大鼠品种，或者将雄鼠与未曾暴露在化学物质中的大鼠的后代杂交。以上改变，均会削弱大鼠后代的表观遗传特征。

然而近年来，已经有越来越多的证据证明，表观突变确实可以多代遗传。我们实验室所做的一些后续研究表明，经抗真菌剂处理的大鼠繁殖出的第四代后代，其精子、睾丸、卵巢基因的甲基化模式都发生了稳定的改变，其原始生殖细胞的基因表达也不正常。我们还发现，这些第四代大鼠更容易长胖和焦虑，甚至连选择伴侣的方式也与正常大鼠不同。同时，我和其他科学家，都发现了更多可以诱导这些效应的污染物和刺激因子，并在其他许多物种身上（包括植物、苍蝇、蠕虫、鱼、啮齿动物和猪），观察到了后天获得性状的跨代遗传。

2012年，我和同事在一篇论文中报道，怀孕大鼠接触二噁英、喷气发动机燃料、驱虫剂，以及双酚A和邻苯二甲酸酯混合物（牙齿填充剂和食品包装中常见的塑料成分）后，它们的第四代后代会患上发育异常、肥胖，以及卵巢、肾脏和前列腺疾病等多种遗传疾病。我们在这些动物的精子中观察到了数百种因接触有毒化学物质而诱发的DNA甲基化模式的改变。以上效应均无法用经典遗传学理论来解释，因此我们相信，引起这些遗传疾病的是表观突变，而非DNA序列的改变。

美国范德堡大学（Vanderbilt University）医学院的凯龙·布鲁纳-德兰（Kaylon Bruner-Tran）和凯文·奥斯蒂恩（Kevin Osteen）也研究了二噁英对小鼠的影响，他们发现，接触有害物质的雌鼠生下的雌性后代，有一半是不孕的，而即便是可以怀孕的雌性后代，往往也会早产。以上生殖方面的异常性状，至少可以再延续两代以上。

不过，在这些实验中，小鼠接触的化学物质的剂量，要远远大于人们因环境污染接触到的有害剂量。但是，美国弗吉尼亚大学医学院的詹尼弗·沃斯滕霍姆（Jennifer Wolstenholme）等人采用与真实情况更接近的毒物剂量，也让小鼠出现了可以跨代遗传的表观遗传性状。他们将双酚A掺在小鼠的食物中，使其血液中的双酚A水平与怀孕的美国妇女相当，结果发现，直至繁育到第五代，这些小鼠的后代对笼子（环境）的兴趣都不高，反而会花更多时间与其他小鼠互动。

研究人员怀疑，小鼠性格的变化，是由于它们体内催产素和加压素基因的表达发生了改变——我们已经知道，这两种激素能够影响社交行为。我们对双酚A进行研究后发现，小鼠的变化，与其DNA甲基化模式的改变呈现相关性，但证明两者有关的证据仍然是间接的。并且，这其中也可能涉及其他的表观遗传改变。

如今我们正在研究，人是否也和啮齿动物一样，可以将表观突变代代相传。颇为不幸的是，一个“天然”的实验正在现实生活中上演，而科学家正在对此进行研究。1976年，意大利塞维索（Seveso）的一家化工厂发生爆炸，将附近居民暴露在危险之中：环境中的二噁英含量达到了全世界有史以来的最高记录。科学家检测了近1 000名受害妇女血液中的二噁英含量，并对其健康状况进行了跟踪调查。

科学家在2010年报道称，塞维索爆炸事故后，当地妇女体内的二噁英每增加10倍，她们受孕所需的平均时间就会增加25%，而不孕的风险则会加倍。2013年，科学家还观察到，事故发生时不足13岁的女性，成年后患上代谢疾病（包括高血压和高血糖）的风险是正常人的两倍。这些代谢疾病还会增加人们患上糖尿病和心脏病的风险。他们也发现，许多受害女性的孙女，甲状腺检查的结果都不正常。

我们在动物实验中观察到的生殖和代谢失调，都是表观遗传导致的最常见的遗传疾病。这向我们暗示，二噁英可能引起了人体的表观突变。未来的几年内，如果那些接触了二噁英的女性的后代出现不孕、肥胖等病症的几率增加了，她们的基因的甲基化模式也不正常，那我们的假说就能得到更多的支持。

英国伦敦大学学院的马库斯·彭伯里（Marcus Pembrey）、瑞典卡罗琳斯卡研究所 （Karolinska Institute）的拉斯· 奥洛夫· 比格伦 （Lars Olov Bygren）和同事，对另一个“天然”实验进行了一项颇有意思的追踪。他们调查了300名分别于1890、1905和1920年出生在瑞典上卡利克斯市的（Överkalix）人和他们的父母、祖父母。研究人员将这些人的死亡记录与小镇的食物供给情况进行了对比。19世纪的上卡利克斯市曾经历过数个“丰年”与“荒年”比肩而至的时期。研究结果显示，那些经历过丰/荒年交替的女性，她们的孙女患上致命的心血管疾病的几率要高得多。

奇怪的是，这种风险没有表现在她们的男性后代或外孙女身上。许多证据都表明，这种离奇的遗传模式背后，是表观遗传、尤其是其中一种名叫“印记”（imprinting）的遗传方式在起作用。我们在经历了第二次世界大战的荷兰人的后代中也发现了类似的现象。

清除与重建

已经有越来越多的证据表明，环境诱导的表观突变能够进入生殖系。然而，许多科学家仍然不愿接受这一点。“表观遗传假说”似乎与人们长久笃信的观念相悖。我们从前认为，DNA上所有的表观遗传标记，几乎都会在生殖的过程中被“清理”掉——并且还不只清理一次，而是两次。照这个逻辑，一个人后天获得的所有表观遗传标记，都会在这一过程中消失，后代也不会因此患上任何疾病。我们2005年的发现之所以遭遇强烈质疑，这也是原因之一。我们承认，机体对表观遗传标记的清理过程确实存在，但问题在于，这场“大扫除”究竟有多彻底？

第一波清理发生在受孕后的几天之内。机体要先将染色体上的甲基标记移除，这样一来，胚胎干细胞才可能进行分化。但当胎儿开始发育，一些表观遗传标记会重新出现。随着细胞的分裂和分化，不同类型的细胞将表现出不同的DNA甲基化模式，这些表观遗传特征，将帮助它们实现各自的功能。

然而，一些特殊的基因，会在第一轮的“表观清理”中得到特别的庇护。生物学家将这些基因称作父系或母系的“印记基因”。这些基因上的表观遗传标记，可以在“大扫除”中得以留存。印记基因能确保孩子只使用来自母亲或父亲一方的基因来编码某个蛋白。例如，IGF2基因可以编码一种对胎儿发育至关重要的激素，我的孩子体内存在两种含有IGF2基因的染色体，它们分别来自我和我的妻子。不过，只有从我这里“继承”的那条基因会被激活；孩子母亲的那条基因，则会被甲基和一种非编码RNA联手“关闭”。

当大鼠胎儿长到针头大小、人类胎儿长到豌豆大小时，表观遗传标记的第二波清理和“重编程”（reprogramming）就开始了。这时，在胚胎刚刚形成的生殖腺中，出现了原始生殖细胞，我们在动物身上进行的表观遗传学实验（即向母鼠体内注射乙烯菌核利等污染物）也在这时开始。大鼠的这一时期会持续1周；而在人类，是从孕期的第6周到第18周。

我们认为，第二波清理基本上是彻底的——甚至连原始生殖细胞中的印记基因上的甲基化标记，都会被清除得干干净净。然而过不了多久，这种两性专属的表观遗传标记又会“卷土重来”：雌性体内，卵子前体细胞的基因组将发生母系模式的甲基化反应，而雄性体内的精子前体细胞，则会发生父系模式的甲基化反应。当某一生理过程只需激活一个基因的一个拷贝（每个基因通常有两个拷贝，分别来自父母）时，以上过程的存在，就能避免两个拷贝同时失活或激活。

印记基因上表观遗传标记的重建过程，很可能也会受到环境的影响，使得生殖细胞产生新的表观突变。在第二波清理进行的过程中，如果胚胎发生营养不良、接触到污染物、经历压力诱发的激素失调等情况，基因组的去甲基化过程（即甲基被清理的过程）便会受到影响，其结果便是，有些表观遗传标记可能永久消失——即便是随后的“重编程”过程，也无法将其恢复。

大多数表观遗传突变，很可能都无伤大雅，又或者会在“遗祸”下一代后，得到及时的纠正。但凡事都有例外。如果某个表观突变，也和印记基因上的表观遗传标记一样，受到“重编程”过程的保护，那么，这一突变产生的效应就会传递给下一代，甚至可以往后流传许多代。

如果事实真如我们设想的这样，表观遗传效应将会对医学产生重要影响。一些科学家正在研究，环境中一些干扰人体代谢、进而诱发体重上升的化学物质，是否会在遗传层面增加人们的肥胖风险。加利福尼亚大学欧文分校的布鲁斯·布隆伯格（Bruce Blumberg）和同事去年发现，怀孕的小鼠在饮用含有三正丁基氢锡（tributyltin，一种化学物质，常被用来清洗黏在船只外壳上的甲壳动物）的水后生下的幼鼠，体内会有更多的脂肪细胞，也更容易患上脂肪肝。这种变化至少会遗传两代，而“表观突变”是对其最好解释。因此，虽然毋庸置疑，我们生活方式、食物种类的变化是过去50年间肥胖、糖尿病，以及其他“富裕病”增多的主要原因，但我们祖辈曾接触到的有害化学物质，很可能也增加了我们对这些疾病的易感性。

美国就是一个例子——20世纪40年代和50年代的美国儿童就曾暴露在DDT之中。我们在动物实验中发现，当动物注射DDT后，它们会有一半的曾孙患上肥胖症——即便这些动物的第二代后代是完全正常的。这背后的祸首，似乎就是表观遗传。20世纪50年代之后的三代美国人，肥胖率都呈快速上升的趋势。而现在，美国人的肥胖率已经超过了35%。

如果说，环境可以在不改变生物体DNA序列的前提下，使基因表达发生长期的、能够跨代遗传的改变，那么，我们对于“进化”的传统认识必将大大拓宽。传统观念认为，进化过程，是大自然基于物种表现出的生存优势，对随机突变进行旷日持久的选择。我们甚至可以用表观遗传来解释，为何新物种的出现频率，要比我们所预期的更高。自然界中的有益突变实在非常稀少，而表观突变的发生概率要比DNA突变高上至少1 000倍。表观遗传所产生的最重要后果——或许也是它存在的根本理由，也许就是让一个种群中的个体具有更大的多样性。自然选择将筛选出其中适应性最强的个体，并让这些个体的基因组、表观遗传信息以及其他的一切，长久地流传下去。

本文译者 吴中洋是清华大学医学院干细胞及表观遗传学实验室研究主管。