□ 段艷芳/編譯
達(dá)爾文和弗洛伊德走進(jìn)一家酒吧,正好有兩只酗酒的老鼠——老鼠母親和她的兒子——坐在酒吧凳子上,正在用兩個(gè)小杯喝著杜松子酒。
母鼠抬起頭看了看,說(shuō)道:“嘿,兩位天才!請(qǐng)你們告訴我,我兒子怎么變成這副酗酒德行的?”
“遺傳不好。”達(dá)爾文說(shuō)。
“家教不好?!备ヂ逡恋抡f(shuō)。
家族的詛咒
一百多年來(lái),對(duì)于個(gè)體以及不同代際之間的習(xí)慣的發(fā)展與繼承,達(dá)爾文和弗洛伊德的觀點(diǎn)——天生的還是后天養(yǎng)成的,生物學(xué)因素還是心理學(xué)原因——提供了兩種相反的解釋。
時(shí)間到了1992年。追隨著弗洛伊德和達(dá)爾文的腳步,兩位年輕的科學(xué)家的確走進(jìn)了一間酒吧。喝了點(diǎn)啤酒之后,等他們走出酒吧的時(shí)候,對(duì)于人生經(jīng)歷——不僅包括你自己的人生經(jīng)歷,還包括你父輩的,祖輩的,等等——怎樣直接影響你的基因,他們提出了一種新的革命性的觀點(diǎn)。
這個(gè)酒吧位于馬德里,當(dāng)時(shí)西班牙最為歷史悠久的神經(jīng)生物學(xué)研究中心——卡哈爾研究所(Cajal Institute)正在那里舉辦國(guó)際學(xué)術(shù)大會(huì)。摩西? 西夫(Moshe Szyf)來(lái)自位于加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學(xué)(McGill University),是一位分子生物學(xué)家和遺傳學(xué)家,但他從未研究過(guò)心理學(xué)或神經(jīng)生物學(xué)。他之所以參會(huì),是因?yàn)橐晃煌抡f(shuō)服他,說(shuō)這可能給他的研究工作帶來(lái)一些實(shí)際應(yīng)用。同樣地,邁克爾?米尼(Michael Meaney)也是被同一位同事說(shuō)服而參會(huì),這位同事認(rèn)為,米尼的母性動(dòng)物模型的疏漏之處,也許只有西夫能夠察覺(jué)到。
“那是一間街頭角落里的酒吧,比薩是其特色?!泵啄嵴f(shuō),“摩西是猶太人,只吃猶太教教義規(guī)定的食物。啤酒是一種猶太食品,摩西可以在任何地方喝啤酒。而我是個(gè)愛(ài)喝酒的愛(ài)爾蘭人,所以我們很合得來(lái)?!?/p>
兩人對(duì)遺傳學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了熱烈的討論。自從20世紀(jì)70年代以來(lái),研究人員已經(jīng)知道在每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi)緊密纏繞的DNA長(zhǎng)鏈需要一些額外的信息,以精確地告知它們哪些基因需要轉(zhuǎn)錄,是分化成一個(gè)心臟細(xì)胞,一個(gè)肝臟細(xì)胞,還是一個(gè)腦細(xì)胞。
這樣的信息元件之一是甲基,一種常見(jiàn)的有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的組成成分。甲基的工作機(jī)制像是一本菜譜中的占位符,它們附著在每個(gè)細(xì)胞內(nèi)的DNA上挑選所喜歡的“菜”,即基因,基因的主要功能是合成細(xì)胞中某一特定的蛋白質(zhì)。因?yàn)榧谆街诨虮砻?,可以從雙鏈DNA上分離下來(lái),因此這一研究領(lǐng)域被稱(chēng)為表觀遺傳學(xué)(epigenetics)。
起初人們認(rèn)為,這些表觀遺傳學(xué)的變化只是在胎兒發(fā)育過(guò)程中才會(huì)發(fā)生。然而一項(xiàng)開(kāi)拓性的研究成果顯示,這些小分子可以添加到成人的DNA中,開(kāi)啟導(dǎo)致癌癥的細(xì)胞變化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)。有時(shí)候甲基附著到DNA是由于飲食習(xí)慣的改變,有時(shí)候好像是由于接觸某些化學(xué)物質(zhì)。西夫的研究證明,在動(dòng)物中用藥物糾正某些表觀遺傳改變,能夠治愈特定的癌癥。
遺傳學(xué)家驚訝地發(fā)現(xiàn),表觀遺傳學(xué)改變能夠從父母?jìng)鹘o孩子,并一代一代地往下傳遞。杜克大學(xué)的蘭迪?杰托(Randy Jirtle)的一項(xiàng)研究表明,用富含甲基的食物飼養(yǎng)雌性老鼠,其子代皮毛的顏色會(huì)發(fā)生永久性的改變。DNA本身沒(méi)有任何改變,僅僅是增加或者減少了甲基,像是一個(gè)基因發(fā)生了突變一樣。
現(xiàn)在,在位于馬德里的這間酒吧里,西夫和米尼提出一個(gè)看似不可能但影響深遠(yuǎn)的假說(shuō):如果食物和化學(xué)藥品可以導(dǎo)致表觀遺傳的改變,那么特定的經(jīng)歷,例如童年時(shí)疏于照顧、濫用藥物或者是其他嚴(yán)重的挫折,是否也能引發(fā)大腦神經(jīng)元里的DNA的表觀遺傳的改變? 原來(lái),這個(gè)問(wèn)題是行為表觀遺傳學(xué)(behavioral epigenetics)這一新的研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)問(wèn)題。該領(lǐng)域充滿活力,已經(jīng)催生出了許多研究成果,并且對(duì)恢復(fù)大腦健康提出了具有深遠(yuǎn)影響的新療法。
按照行為表觀遺傳學(xué)的新觀點(diǎn),我們自身的過(guò)去,或者是我們較近祖先過(guò)去的創(chuàng)傷經(jīng)歷,都能夠在我們的DNA上留下分子疤痕。其曾祖父曾在東歐猶太人村遭到追捕的猶太人;祖父母曾經(jīng)歷“文革”迫害的中國(guó)人;來(lái)自非洲,并且其父母在大屠殺中幸存下來(lái)的年輕的移民;每個(gè)民族中伴著酗酒或吸毒的父母成長(zhǎng)起來(lái)的成年人;??都攜帶著這種疤痕,不僅僅是在記憶里。我們的經(jīng)歷,以及我們前輩的經(jīng)歷從未消失,即使它們已經(jīng)被遺忘,它們實(shí)際上也已成了我們自身的一部分,一個(gè)由分子基團(tuán)堅(jiān)守的遺傳學(xué)骨架。DNA還是一樣的,但是心理和行為傾向被繼承了下來(lái)??赡苣闼芾^承的,不僅是你祖母的圓圓的膝蓋,還有她在新生兒時(shí)由于缺乏關(guān)愛(ài)而引起的抑郁癥傾向。
或者情況相反。如果你的奶奶被無(wú)微不至的父母撫養(yǎng),她所感受到的父母的愛(ài)與支持,或許你此生仍能暗自享受。行為表觀遺傳學(xué)發(fā)揮作用的機(jī)制不僅是負(fù)面的和軟弱的,也包括正面的和有力的。即使你不幸從命運(yùn)悲苦的祖父母那里繼承了遺傳物質(zhì),只要用新的藥物療法進(jìn)行治療,你可以重新獲得的不僅是情緒,而且還有表觀遺傳變化。一直以來(lái),基因組都被稱(chēng)為生命的藍(lán)圖,而表觀基因組就是生命的神奇畫(huà)板:努力地改變它,你就能將家族的詛咒消除干凈。
魔法遺傳學(xué)
在推動(dòng)一場(chǎng)生物學(xué)革命20年后,米尼坐在一個(gè)寬大的胡桃木辦公桌后面。他的辦公室在道格拉斯研究所四樓的一個(gè)角落里,該研究所是麥吉爾大學(xué)附屬心理健康中心,從辦公室前的落地窗戶向外望去,一月份風(fēng)暴帶來(lái)的雪已經(jīng)堆積了半英尺厚。米尼長(zhǎng)著菱角分明的容貌和蓬亂斑白的頭發(fā),他辦公室的地板上精心擺放著不同大小的氦氣球,在祝賀米尼“60歲生日快樂(lè)”。
“一直以來(lái),我對(duì)于為何每個(gè)人不同于彼此很感興趣?!彼f(shuō):“我們做事的方式,我們的行為方式都不同,有些人比較樂(lè)觀,有些人是悲觀的。是什么引起了這種變化?”
米尼探索個(gè)體差異的問(wèn)題,是通過(guò)研究母鼠的撫養(yǎng)習(xí)慣是如何改變它們子代的一生來(lái)進(jìn)行的。早在20世紀(jì)50年代就有人做實(shí)驗(yàn),將出生后三周內(nèi)的鼠崽每天進(jìn)行5~15分鐘處理,將其放至母鼠的身邊。他們發(fā)現(xiàn),與未經(jīng)處理的個(gè)體相比,這些個(gè)體長(zhǎng)大后性情更溫和,對(duì)環(huán)境壓力有更強(qiáng)的耐受性。米尼等人認(rèn)為,人搬動(dòng)鼠崽并不能為其帶來(lái)直接的好處,然而,這種處理能使母鼠更多地舔舐幼崽并為其理毛,并且促使母鼠騰出更多的空間給鼠崽,讓鼠崽在它身下吃奶。
在1997年發(fā)表于《科學(xué)》雜志的那篇有重大意義的論文中,米尼證明幼鼠接受舔舐和理毛行為的數(shù)量的自然變化,與皮質(zhì)酮等應(yīng)激激素在成年中的表達(dá)情況有直接的關(guān)系。幼鼠被舔舐得越多,長(zhǎng)大后應(yīng)激激素水平就越低。母鼠的舔舐行為與遺傳學(xué)的控制開(kāi)關(guān)二者之間看起來(lái)風(fēng)馬牛不相及,那篇論文中沒(méi)能解釋這二者是如何產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的。
“那時(shí)候我們竭力想要鑒定出母親的照顧對(duì)特定基因的影響,”米尼說(shuō),“但是表觀遺傳學(xué)是我不熟悉的研究領(lǐng)域?!?/p>
然后他遇到了西夫。
后天的遺產(chǎn)
“我原本想要當(dāng)一名牙醫(yī)?!蔽鞣蛐χf(shuō)。他苗條,蒼白還有點(diǎn)禿頂,坐在位于他繁忙實(shí)驗(yàn)室后面的小辦公室里。辦公室很簡(jiǎn)樸,里面放了一張大大的圖片,是一個(gè)子宮里孕育著兩個(gè)胚胎的照片。
20世紀(jì)70年代后期,由于需要撰寫(xiě)論文以申請(qǐng)耶路撒冷希伯來(lái)大學(xué)(Hebrew University of Jerusalem)牙醫(yī)專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位,西夫與一位名為阿龍?拉辛(Aharon Razin)的年輕的生物化學(xué)教授熟識(shí)。拉辛最近因?yàn)樵谝粋€(gè)少有人涉足的領(lǐng)域有重要發(fā)現(xiàn)而引起了轟動(dòng),他的研究首次證明,基因的行為可以被甲基所調(diào)控。對(duì)于這一領(lǐng)域,西夫幾乎一無(wú)所知,不過(guò)他需要一位論文的導(dǎo)師,而拉辛就在那里。后來(lái)西夫才發(fā)現(xiàn)自己已置身于表觀遺傳學(xué)這一最熱門(mén)的新領(lǐng)域的前沿,再也沒(méi)有回頭。
在拉辛等人探索這一領(lǐng)域之前,有關(guān)細(xì)胞中基因如何開(kāi)始轉(zhuǎn)錄的基本故事情節(jié)緊湊而簡(jiǎn)單——DNA是主要的遺傳密碼,位于每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞核內(nèi);RNA轉(zhuǎn)錄遺傳密碼,合成細(xì)胞所需要的任何蛋白質(zhì)。然而,拉辛的一些同事證明甲基能夠附著在胞嘧啶上,胞嘧啶是DNA 和RNA的堿基組成成分之一。
拉辛與其同事霍華德?斯達(dá)(Howard Cedar)合作,證明這種附著不是短暫的行為,更不是毫無(wú)意義的事情。甲基像是與DNA永久地結(jié)婚了,哪怕是DNA復(fù)制到了第100代子代也會(huì)帶著它。正如任何美滿的婚姻,甲基的附著也顯著地改變了它們所嫁的基因的行為,它們抑制基因的轉(zhuǎn)錄,就像是一個(gè)妒婦。拉辛和斯達(dá)的研究證明,當(dāng)甲基纏繞在一種名叫組蛋白(位于細(xì)胞核內(nèi))的分子外面時(shí),能收緊DNA鏈。DNA鏈?zhǔn)盏迷骄o,基因產(chǎn)生蛋白質(zhì)就越困難。
思索一下這意味著什么:DNA遺傳密碼本身并沒(méi)有發(fā)生突變,甲基的附著導(dǎo)致了基因功能的長(zhǎng)期、可遺傳的改變。另外還有一種分子,被稱(chēng)為乙酰基,人們發(fā)現(xiàn)它起著相反的作用,它使DNA分子從組蛋白聚體上解開(kāi),從而使某一基因更容易轉(zhuǎn)錄為RNA。
西夫到達(dá)麥吉爾大學(xué)是在20世紀(jì)80年代末,此時(shí),他已經(jīng)成為表觀遺傳學(xué)方面的專(zhuān)家。但是在遇到米尼之前,他從未聽(tīng)任何人說(shuō)過(guò)表觀遺傳變化能在大腦里出現(xiàn)——僅僅是由于母親的關(guān)愛(ài)。
“起初它聽(tīng)起來(lái)就像巫術(shù)?!蔽鞣虺姓J(rèn):“對(duì)一個(gè)分子生物學(xué)家來(lái)說(shuō),沒(méi)有明確的分子途徑的事情聽(tīng)起來(lái)都不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué),但是我們交流的時(shí)間越長(zhǎng),我就越意識(shí)到母親的關(guān)愛(ài)很可能的確能夠?qū)е翫NA甲基化。這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)瘋狂,因此邁克爾和我決定用實(shí)驗(yàn)來(lái)探個(gè)究竟。”
他們最終做了一系列精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。在博士后研究人員的協(xié)助下,他們首先選擇非常關(guān)愛(ài)幼鼠的或者是特別不關(guān)心幼鼠的大鼠母親。一旦幼鼠長(zhǎng)至成年,這個(gè)團(tuán)隊(duì)就檢查它的海馬區(qū)——大腦中調(diào)節(jié)壓力反應(yīng)所必需的區(qū)域。在不關(guān)心幼鼠的大鼠母親的孩子中,他們發(fā)現(xiàn),負(fù)責(zé)生產(chǎn)腎上腺皮質(zhì)激素受體的基因高度甲基化,這一激素能調(diào)控應(yīng)激激素的敏感性;而在那些盡職盡責(zé)的媽媽的孩子中,腎上腺皮質(zhì)激素受體基因很少被甲基化。
甲基化幾乎總是把事情搞糟。與糟糕的養(yǎng)育相關(guān)的甲基化,阻止了正常數(shù)量的腎上腺皮質(zhì)激素受體在幼鼠的腦海馬中轉(zhuǎn)錄。由于缺乏充足的腎上腺皮質(zhì)激素受體,這些幼鼠長(zhǎng)大后就變得神經(jīng)衰弱。
為了證明這種影響僅僅是由于母親的行為,而非其基因引起,米尼和同事們又進(jìn)行了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們把不關(guān)愛(ài)孩子的大鼠母親所生育的幼鼠交給非常關(guān)愛(ài)子女的大鼠母親,而把關(guān)愛(ài)子女的大鼠母親的孩子交給沒(méi)有責(zé)任心的大鼠母親喂養(yǎng)。正如他們所預(yù)測(cè)的那樣,由責(zé)任心強(qiáng)的母親生育、而由忽視孩子的大鼠母親養(yǎng)育的個(gè)體在長(zhǎng)大以后,它們大腦海馬區(qū)的腎上腺皮質(zhì)激素受體水平較低,并且容易行為沖動(dòng)。同樣地,壞母親生、好母親養(yǎng)的個(gè)體長(zhǎng)大后性情溫和,比較勇敢,并且含有高水平的腎上腺皮質(zhì)激素受體。
接下來(lái)的問(wèn)題是,成年大鼠個(gè)體行為的改變真是由大腦中表觀遺傳的變化而引起的嗎?為了證實(shí)這種因果關(guān)系,米尼和西夫又拿來(lái)由糟糕透了的母親養(yǎng)育的幼鼠。他們往幼鼠大腦里注入了曲古霉素A(trichostatin A),一種可以去甲基化的藥物。結(jié)果是,這些幼鼠從此直到長(zhǎng)成成體,沒(méi)有再次出現(xiàn)行為上的缺陷。
“想想往大腦里直接注入去甲基化藥物就能發(fā)揮治療作用,這聽(tīng)起來(lái)比較瘋狂?!蔽鞣蛘f(shuō),“但事實(shí)的確是這樣。就像是重新啟動(dòng)了一臺(tái)電腦。”
當(dāng)兩人把研究成果寫(xiě)成一篇論文后,盡管看起來(lái)有充分的證據(jù),一本頂級(jí)科學(xué)期刊的審稿人還是拒絕相信,因?yàn)樵诖酥八麖奈绰?tīng)說(shuō)過(guò)一個(gè)母親的行為能夠?qū)е卤碛^遺傳學(xué)特征改變的事兒。
“他當(dāng)然沒(méi)看到過(guò)了,”西夫說(shuō),“已經(jīng)被證實(shí)的事情我們才懶得去報(bào)道呢?!?/p>
最終,《自然?神經(jīng)科學(xué)》于2004年6月發(fā)表了他們具有里程碑意義的論文——《母性行為引起表觀遺傳學(xué)重編程》。米尼和西夫證明了一些難以置信的事情,可以稱(chēng)其為后天遺傳:雖然遺傳密碼沒(méi)有變化,但僅僅是由于養(yǎng)育條件不同,幼鼠便獲得了基因的附屬產(chǎn)品——在基因的外面加了個(gè)甲基,由此改變了大腦的功能。
由鼠及人
米尼和西夫一起合作,已經(jīng)發(fā)表了幾十篇論文,找到了在大腦中活躍的許多其他基因表觀遺傳改變的證據(jù)??赡苡绊懽顬樯钸h(yuǎn)的,當(dāng)屬由哥倫比亞大學(xué)副教授弗朗西絲?香檳(Frances Champagne)所領(lǐng)銜的一項(xiàng)研究,她的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),在成長(zhǎng)中受忽視的嚙齒動(dòng)物個(gè)體會(huì)導(dǎo)致大腦中雌激素受體基因甲基化。這樣的幼鼠長(zhǎng)大后,由于雌激素水平比較低,會(huì)導(dǎo)致它們對(duì)自己孩子的忽視,因此對(duì)后代的影響會(huì)繼續(xù)下去。
在完成了大量動(dòng)物試驗(yàn)之后,西夫和米尼已經(jīng)進(jìn)入行為表觀遺傳學(xué)研究的下一個(gè)關(guān)鍵步驟——對(duì)人類(lèi)的研究。在2008年發(fā)表的一篇論文中,他們對(duì)比了自殺身亡和由于其他原因意外身亡的人的大腦。他們發(fā)現(xiàn),自殺者大腦的海馬區(qū)(一個(gè)與記憶和應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的關(guān)鍵區(qū)域)基因過(guò)度甲基化。如果自殺者在孩童時(shí)期曾經(jīng)濫用藥物,那么他們大腦的甲基化程度會(huì)更高。
當(dāng)然,從活人大腦中取樣通常是很難的。但是檢測(cè)人類(lèi)的血液樣本很常規(guī),西夫于是就從血液中去尋找表觀遺傳的甲基化標(biāo)志物。果然,到2011年,他報(bào)道了1958年出生的40名英國(guó)人的血液樣本全基因分析研究結(jié)果。
在由孩子成長(zhǎng)為中年的人生階段,被調(diào)查的這40人都處于社會(huì)財(cái)富的兩個(gè)極端——要么非常富有,要么非常貧窮。西夫總共分析了2萬(wàn)個(gè)基因的甲基化狀態(tài),其中,6167個(gè)基因因貧富程度的不同而有顯著的變化。最令人吃驚的是,童年時(shí)家庭經(jīng)濟(jì)狀況對(duì)基因甲基化的影響更明顯,相當(dāng)于成年后經(jīng)濟(jì)狀況產(chǎn)生影響的2倍以上。
換句話說(shuō),時(shí)機(jī)很關(guān)鍵。在你只有兩三歲時(shí),你父母中了彩票或者破產(chǎn)變窮很容易使你大腦的表觀遺傳特征發(fā)生變化,影響你的感情傾向,其影響程度遠(yuǎn)甚于你在中年時(shí)經(jīng)歷這些后所產(chǎn)生的影響。
2012年,西夫和來(lái)自耶魯大學(xué)的研究者發(fā)表了有關(guān)人類(lèi)血液樣本的另一項(xiàng)研究成果。他們比較了14個(gè)由親生父母撫養(yǎng)的俄羅斯兒童和14個(gè)在俄羅斯孤兒院中成長(zhǎng)的兒童,發(fā)現(xiàn)孤兒基因的甲基化數(shù)量明顯增多。甲基化的基因中,有許多是在神經(jīng)細(xì)胞通訊和大腦發(fā)育中起重要作用的基因。
“我們的研究表明,幼年與親生父母分離的刺激對(duì)基因組功能具有長(zhǎng)期的影響。這可能能夠解釋?zhuān)瑸槭裁幢皇震B(yǎng)的兒童在身心健康方面更加脆弱。”西夫的合作者、耶魯兒童研究中心的心理學(xué)家艾琳娜?格雷戈里安(Elena Grigorenko)說(shuō):“對(duì)于被領(lǐng)養(yǎng)的孩子,也許應(yīng)該給予他們更多關(guān)愛(ài),以逆轉(zhuǎn)他們?cè)诨蚪M調(diào)控方面的改變?!?/p>
下一步是什么
研究正日益深入。一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)追蹤到了老年人記憶力衰退與大腦神經(jīng)元表觀遺傳改變的關(guān)系。另一項(xiàng)研究將創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙與編碼神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子基因的甲基化聯(lián)系起來(lái),該基因能夠調(diào)控大腦中神經(jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)。
根據(jù)這些新的研究結(jié)果,人們自然會(huì)提出這樣的問(wèn)題:如果我們或平靜或恐懼的傾向,以及我們學(xué)習(xí)或者遺忘的能力,都與大腦基因的表觀遺傳改變有關(guān),那么是否可以用藥物來(lái)沖洗掉不想要的甲基,恢復(fù)大腦原本的功能呢?
目前,大型制藥公司和小型生物技術(shù)公司都在尋找促進(jìn)學(xué)習(xí)和記憶的表觀遺傳學(xué)化合物。雖然至今尚沒(méi)有人通過(guò)表觀遺傳介導(dǎo)的方法成功地對(duì)抑郁癥、焦慮癥和創(chuàng)傷后精神失調(diào)進(jìn)行治療,但是如果能找到這樣的藥物,將是一個(gè)重大飛躍。難點(diǎn)在于,如何能使這樣的表觀遺傳藥物只消除有害的標(biāo)記,而留下有益的甚至很可能是必需的甲基化標(biāo)記?
開(kāi)發(fā)這樣的藥物還會(huì)牽涉?zhèn)惱矸矫娴膯?wèn)題。如果藥物能夠?qū)v史留下的表觀遺傳特征擦拭干凈,結(jié)果又會(huì)怎樣?如果藥物能夠抹掉因戰(zhàn)爭(zhēng)、強(qiáng)奸,以及你祖先悲慘的童年而留在你大腦里的表觀遺傳碎片,你愿意服下它嗎?
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