作者：PSG

拉馬克（Jean-Baptiste de Lamarck, 1744-1829）何許人也？對進化論有了解的童鞋大都聽過這個名字。法國博物學家和進化生物學家拉馬克從1802年開始逐漸完善了自己的進化學說，主要包括獲得性遺傳和用進廢退兩個法則，我們通常把它們稱為拉馬克主義（Lamarckism）或拉馬克學說。拉馬克主義的核心是，環(huán)境是生物進化的主要原因，生物獲得適應的和方向性的性狀變化。

圖1 拉馬克其人（圖片來自維基百科）

然而，拉馬克主義在現代進化生物學體系中并不被認可，我們流行的學說認為，自然選擇（natural selection）才是適應性進化的主要驅動力。進化來源于環(huán)境對群體中擁有適應性表型特征個體的選擇，而這些特征都是可遺傳的，并由此被長期遺傳下去；不適應環(huán)境的個體將會被淘汰。換句話說，進化發(fā)生的基本條件是有可被選擇的表型特征且這些特征是可以遺傳，而環(huán)境本身并不能使生物獲得表型性狀。
這種觀點直到今天仍然是進化生物學界的主流。然而，表觀遺傳學（epigenetics）的發(fā)展，給這棵現代進化生物學之花松了一下土，人們從垃圾堆中翻出了拉馬克的著作，抖了抖上面的灰塵，又開始重新回味拉馬克當年所寫的內容，并陷入了深思。
表觀遺傳學，又被稱為表征遺傳學，它與經典遺傳學的區(qū)別在于是在不改變DNA序列的前提下，通過特殊的機制引起可遺傳的表型變化。大家都知道DNA是細胞內的遺傳物質，決定著每一個生命的表型。上文所提到的可遺傳的變異，其本質就是DNA序列的變化，它可以是一個或部分位點的突變，可以是大片段的復制或消減，甚至可以是顛倒轉移。無論怎么樣，DNA序列的變化是表型變化的基礎，也是生物進化的源泉。
那么，不改變DNA序列的表觀遺傳又是怎么操作的呢？現在發(fā)現了幾種機制，包括DNA甲基化（諾貝爾獎的重大熱門候選）、RNA干擾（2006年諾貝爾獎）、染色體重塑和組蛋白修飾等等。不管怎么樣，通過這些機制，生物確實能夠繞開DNA序列而將新的表型性狀遺傳下去。
按說，這本來沒什么，不就是多了一個遺傳的機制嘛。但是，特別的地方在于，這些表觀遺傳修飾可能是由環(huán)境直接誘導的。例如Crews等人（2007）做的一個關于小鼠的實驗。這種小鼠有個特點就是像人一樣有自己的擇偶標準，打個不恰當的比喻就像小姑娘找男票的時候喜歡挑長得帥的，而長得比較小眾的小伙只能靠邊站。然后，實驗人員對親代的雌性小鼠進行了處理，在一種農業(yè)用的殺真菌劑農利靈（Vinclozolin）前暴露了非常短暫的時間，然后讓它們繁殖下去。開始的兩代還沒什么，戲劇性的變化出現在F3代，它們改變了擇偶標準，就如同馬臉在社會上開始流行了一樣。與此同時，他們發(fā)現了大腦控制擇偶的區(qū)域發(fā)生表觀遺傳修飾。這個實驗表明，環(huán)境確實有可能會直接促使生物產生可遺傳的性狀變異。這已然與我們熟知的上述的經典理論完全不同了，反而接近200年前的拉馬克理論。
但是，還有人質疑，這只是表明環(huán)境通過表觀遺傳影響表型的機制存在而已，與生物進化還有很長的距離。確實，生物進化是一個非常漫長的過程，上百萬年時間都只是彈指一揮間。表觀遺傳修飾要想對生物進化有影響，必須要在長期的時間尺度上穩(wěn)定。具體說來，要在至少10代甚至更長時間存在，才能在微進化（microevolution）中發(fā)揮作用。而要想在一些重大的進化事件（如物種形成和適應輻射等）中起作用，必須要能夠在上千代中保存。所以說，檢驗表觀遺傳修飾是否隨著物種分化而積累，是認識表觀遺傳學對進化生物學影響的第一步。
立刻有人做了這個事情。Skinner等人（2014）檢測了加拉帕戈斯群島的達爾文雀在長期進化過程中的表觀遺傳修飾積累狀況。達爾文雀是進化生物學研究中的一個明星物種，它們都是由一個共同祖先在近2-3個百萬年的時間內通過適應輻射爆發(fā)形成的物種，現存共有14個物種，占據了群島不同的生態(tài)位。這些物種在身體大小、形態(tài)和喙的形狀等特征上迥然不同，因此是研究進化生物學的絕佳材料。
第一件事要找好分子標記。Skinner他們選用了DNA甲基化區(qū)域作為標記，因為DNA甲基化是表觀遺傳修飾中最具有代表性的一種形式，已經被證明是穩(wěn)定的而且可遺傳。同時，還要有代表DNA序列變化的遺傳標記進行對比，他們選擇了拷貝數變異（copy number variation, CNV），這也是一種穩(wěn)定的遺傳標記，并且通常都與某些表型特征相關。至于物種選擇，他們選擇了達爾文雀中的6個物種。

圖2 被選擇的達爾文雀和它們之間的進化關系（圖片來自Skinner et al. 2014）

結果可以說是既有驚喜，也有意外。驚喜的是DNA甲基化區(qū)域果然隨著物種分化時間的增加而積累，并且有很強的正相關，這表明它們能夠在幾百萬年的時間里長期存在并很有可能參與了物種形成的過程。而且，通過對甲基化區(qū)域的基因進行分析，發(fā)現很多基因都是與鳥喙發(fā)育的BMP通路有關的，而我們知道達爾文雀的各種各樣的喙正是它們的一個標志。所以，這更加暗示了表觀遺傳修飾在物種的形態(tài)變遷中起重要作用。而稍微有點意料之外的是，DNA甲基化的積累居然多于CNV的數量，難道表觀遺傳修飾比DNA序列改變更重要？這簡直難以想象。
當然，這個研究只是一個粗略的研究，其中還有很多缺陷。顯而易見的是，它采用了CNV作為遺傳標記，忽略了龐大數量的點突變（例如單核苷酸多態(tài)性）和其它DNA序列變異；在表觀遺傳修飾的選擇上也沒有考慮到其它幾種類型。它的統(tǒng)計分析也存有爭議。但是，它的主要結論給予了進化生物學家和生命科學愛好者更多的思考，即表觀遺傳可能確實在生物進化中起重要作用。

圖3 DNA甲基化和CNV隨物種分化時間的積累(圖片來自Skinner et al. 2014)

讓我們回顧一下整個邏輯鏈條，首先，存在一種有別于遺傳變異的表觀遺傳修飾，能夠在不改變DNA序列的情況下影響生物的表型并穩(wěn)定遺傳下去；其次，實驗表明表觀遺傳修飾可以由環(huán)境誘發(fā)，即環(huán)境可以直接影響表型；再次，表觀遺傳修飾可以隨著生物進化的時間積累。最后，它們還可能與重要的表型功能相關?？偨Y起來，一個與現代進化生物學理論截然不同的進化機制似乎呈現在我們面前，拉馬克主義的春天要到了么？

參考文獻
Crews D, et al. 2007. Transgenerational epigenetic imprints on mate preference. Proc Natl Acad Sci USA. 104(14):5942-5949.
Skinner MK et al. 2014. Epigenetics and the evolution of Darwin's finches. Genome Biol Evol. 6(8):1972-1989.

中國科普博覽-從水到陸專欄 首發(fā)
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