1518
需用时 03:02
长相很创新,不全赖基因

我们其实在说“表观遗传学”

扦插茉莉,多少代都蜕不了光亮的叶子和浓香的花,你知道的,孟德尔说形态由基因决定。可细看,不管培植条件如何精密调控,小茉莉一定出落成高矮胖瘦参差不齐。难道基因是个惯于失手的统帅?

不光你回答不上这个问题,科学家也很难回答。上世纪末基因组计划轰轰烈烈展开,随着DNA序列变得越来越明晰,人们却傻了眼,原来基因远远不是直接翻译成表型这么简单:基因不能不分场合一概表达,那么谁控制;还有一大堆“垃圾”序列,是听了谁的话而保持沉默……迷面越来越多,共同的谜底是:原来基因根本不能决定一切。

不肯服输的人们叫出“表观遗传学”(epigenetics)的名字,用来定义超越正常孟德尔遗传(genetics)之外的遗传现象。也就是说,给定一套DNA,遗传信息就“白纸黑字”;但是环境刺激或者内部诱因仍然有回旋余地,它们可以通过复杂的机制给DNA做点记号,或者把DNA拧巴一下,从而让基因沉默,于是就能改变生物体的外形。关键在于,DNA的修饰方式也能遗传。

植物——表观遗传的应用大师

可想而知,这个特性对于植物来说肯定更为受用。比如我们人类十月怀胎,等出生的时候已经五脏俱全,环境刺激基本上改变不了我们的发育。可植物五花八门的未来——根、茎、叶、花、果实——全都蕴藏在一颗圆滚滚的种子里,那里边几乎全是平凡的体细胞,生长过程不但不能“丝毫不差”,反而要随时对环境做出响应,它们得适应水土,适应压力,忍耐病毒感染,否则很可能小命不保。

小麦的春化便是一种特别明智的响应。对一棵植物来说,开花结子是极其郑重的事情,所以特别需要知冷知热。小麦体内有个抑制开花的基因,平日里威力很大。一天一天的寒冷刺激,逐渐给这个抑制开花基因增加标记,相当于一点一滴打压它的威力;等到冬天接近尾声,标记就达到阈值,抑制开花基因的威力所剩无几,于是它就可以在春天来到的时候开花。也就是说,小麦能记录下“寒冷”这个信息,直到冷得够久春天要来,才放松抑制长出花来。严寒是打压这个抑制基因的必要条件,这就是为什么冬小麦的种子不经冷处理就无法开花。寒冷的刺激相当于一种记忆,只不过人的记忆是脑细胞中的信号和蛋白变化,而植物对寒冷的记忆,是通过给DNA加标记这种表观遗传机制。

科学家为了证明这一点,曾经和植物开了一个玩笑,他们限制这个抑制开花基因的功能,结果植物就不知道等待,早早开花,其结果当然是在寒风中一命呜呼。相反,中国科学院遗传与发育生物学研究所的女科学家曹晓风的团队发现,如果抑制开花基因由于迟迟得不到标记而一直昌盛,花开的时间就晚。由于在表观遗传学研究中取得的成果,曹晓风刚刚获得了2011年欧莱雅“中国青年女科学家奖”。

各种乱:“章鱼花”与“超人基因”

另外还有些表观遗传现象,虽然谈不上生死攸关,但却关乎植物美观与否。我们看到,花很多都是辐射对称,但也有不对称的,比如柳穿鱼。这种花有长长的花冠管,末端有一根长长的突起,植物学上叫做“距”。

1742年,一位年轻的瑞典植物学家在斯德哥尔摩群岛发现了一种特别奇怪的花,叶子和花的颜色看着明明是柳穿鱼,可花的末端却长了5个对称的距,分外狰狞。他把标本献给著名植物分类学鼻祖林奈大师,大师心潮澎湃,用2年时间写论文论述以柳穿鱼为代表的反常对称现象——Peloria,其实就是希腊语中的“大怪物”。然而这种现象的分子机制,却是百年之后才被揭示出来,原来就是一种自发突变,使得植物一个基因上凭白添加了很多“闭嘴”记号。于是,一个基因是不是活跃,就决定了柳穿鱼花朵的对称性。

http://www.guokr.com/gkimage/bs/de/iu/bsdeiu.png

正常的柳穿鱼花(右)的左右对称由于基因“闭嘴”,变成了辐射对称的“章鱼花”(左)

另外有一个基因叫SUPERMAN——超人,或者更确切地说,应该叫做“超男人”。为什么呢?原来,如果superman基因遭到“闭嘴”命令的标记,整朵花就长出好多雄蕊,同时雌性生殖器官退化——因此这是一个非常man的基因,而它的控制,只在DNA的几个小记号之间。关键在于,superman基因上是不是加标记,在植物的世世代代间得以遗传,因此植物的雌蕊和雄蕊数目是固定的,也就是说,指令可以以表观遗传的形式被封存起来,传递给后代。

不过,生物到底有多少表型的改变是受环境影响,环境究竟又如何改变DNA上的标记,其中又有多少改变可以遗传,仍然是等待解答的谜题。

The End

发布于2011-01-14, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

我的评论

桔子帮小帮主

细胞生物学博士,果壳网研究员

pic