拉马克主义的春天?

作者:PSG

拉马克(Jean-Baptiste de Lamarck, 1744-1829)何许人也?对进化论有了解的童鞋大都听过这个名字。法国博物学家和进化生物学家拉马克从1802年开始逐渐完善了自己的进化学说,主要包括获得性遗传和用进废退两个法则,我们通常把它们称为拉马克主义(Lamarckism)或拉马克学说。拉马克主义的核心是,环境是生物进化的主要原因,生物获得适应的和方向性的性状变化。

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1 拉马克其人(图片来自维基百科)

然而,拉马克主义在现代进化生物学体系中并不被认可,我们流行的学说认为,自然选择(natural selection)才是适应性进化的主要驱动力。进化来源于环境对群体中拥有适应性表型特征个体的选择,而这些特征都是可遗传的,并由此被长期遗传下去;不适应环境的个体将会被淘汰。换句话说,进化发生的基本条件是有可被选择的表型特征且这些特征是可以遗传,而环境本身并不能使生物获得表型性状。

这种观点直到今天仍然是进化生物学界的主流。然而,表观遗传学(epigenetics)的发展,给这棵现代进化生物学之花松了一下土,人们从垃圾堆中翻出了拉马克的著作,抖了抖上面的灰尘,又开始重新回味拉马克当年所写的内容,并陷入了深思。

表观遗传学,又被称为表征遗传学,它与经典遗传学的区别在于是在不改变DNA序列的前提下,通过特殊的机制引起可遗传的表型变化。大家都知道DNA是细胞内的遗传物质,决定着每一个生命的表型。上文所提到的可遗传的变异,其本质就是DNA序列的变化,它可以是一个或部分位点的突变,可以是大片段的复制或消减,甚至可以是颠倒转移。无论怎么样,DNA序列的变化是表型变化的基础,也是生物进化的源泉。

那么,不改变DNA序列的表观遗传又是怎么操作的呢?现在发现了几种机制,包括DNA甲基化(诺贝尔奖的重大热门候选)、RNA干扰(2006年诺贝尔奖)、染色体重塑和组蛋白修饰等等。不管怎么样,通过这些机制,生物确实能够绕开DNA序列而将新的表型性状遗传下去。

按说,这本来没什么,不就是多了一个遗传的机制嘛。但是,特别的地方在于,这些表观遗传修饰可能是由环境直接诱导的。例如Crews等人(2007)做的一个关于小鼠的实验。这种小鼠有个特点就是像人一样有自己的择偶标准,打个不恰当的比喻就像小姑娘找男票的时候喜欢挑长得帅的,而长得比较小众的小伙只能靠边站。然后,实验人员对亲代的雌性小鼠进行了处理,在一种农业用的杀真菌剂农利灵(Vinclozolin)前暴露了非常短暂的时间,然后让它们繁殖下去。开始的两代还没什么,戏剧性的变化出现在F3代,它们改变了择偶标准,就如同马脸在社会上开始流行了一样。与此同时,他们发现了大脑控制择偶的区域发生表观遗传修饰。这个实验表明,环境确实有可能会直接促使生物产生可遗传的性状变异。这已然与我们熟知的上述的经典理论完全不同了,反而接近200年前的拉马克理论。

但是,还有人质疑,这只是表明环境通过表观遗传影响表型的机制存在而已,与生物进化还有很长的距离。确实,生物进化是一个非常漫长的过程,上百万年时间都只是弹指一挥间。表观遗传修饰要想对生物进化有影响,必须要在长期的时间尺度上稳定。具体说来,要在至少10代甚至更长时间存在,才能在微进化(microevolution)中发挥作用。而要想在一些重大的进化事件(如物种形成和适应辐射等)中起作用,必须要能够在上千代中保存。所以说,检验表观遗传修饰是否随着物种分化而积累,是认识表观遗传学对进化生物学影响的第一步。

立刻有人做了这个事情。Skinner等人(2014)检测了加拉帕戈斯群岛的达尔文雀在长期进化过程中的表观遗传修饰积累状况。达尔文雀是进化生物学研究中的一个明星物种,它们都是由一个共同祖先在近2-3个百万年的时间内通过适应辐射爆发形成的物种,现存共有14个物种,占据了群岛不同的生态位。这些物种在身体大小、形态和喙的形状等特征上迥然不同,因此是研究进化生物学的绝佳材料。

第一件事要找好分子标记。Skinner他们选用了DNA甲基化区域作为标记,因为DNA甲基化是表观遗传修饰中最具有代表性的一种形式,已经被证明是稳定的而且可遗传。同时,还要有代表DNA序列变化的遗传标记进行对比,他们选择了拷贝数变异(copy number variation, CNV),这也是一种稳定的遗传标记,并且通常都与某些表型特征相关。至于物种选择,他们选择了达尔文雀中的6个物种。

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2 被选择的达尔文雀和它们之间的进化关系(图片来自Skinner et al. 2014)

结果可以说是既有惊喜,也有意外。惊喜的是DNA甲基化区域果然随着物种分化时间的增加而积累,并且有很强的正相关,这表明它们能够在几百万年的时间里长期存在并很有可能参与了物种形成的过程。而且,通过对甲基化区域的基因进行分析,发现很多基因都是与鸟喙发育的BMP通路有关的,而我们知道达尔文雀的各种各样的喙正是它们的一个标志。所以,这更加暗示了表观遗传修饰在物种的形态变迁中起重要作用。而稍微有点意料之外的是,DNA甲基化的积累居然多于CNV的数量,难道表观遗传修饰比DNA序列改变更重要?这简直难以想象。

当然,这个研究只是一个粗略的研究,其中还有很多缺陷。显而易见的是,它采用了CNV作为遗传标记,忽略了庞大数量的点突变(例如单核苷酸多态性)和其它DNA序列变异;在表观遗传修饰的选择上也没有考虑到其它几种类型。它的统计分析也存有争议。但是,它的主要结论给予了进化生物学家和生命科学爱好者更多的思考,即表观遗传可能确实在生物进化中起重要作用。

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3 DNA甲基化和CNV随物种分化时间的积累(图片来自Skinner et al. 2014)

让我们回顾一下整个逻辑链条,首先,存在一种有别于遗传变异的表观遗传修饰,能够在不改变DNA序列的情况下影响生物的表型并稳定遗传下去;其次,实验表明表观遗传修饰可以由环境诱发,即环境可以直接影响表型;再次,表观遗传修饰可以随着生物进化的时间积累。最后,它们还可能与重要的表型功能相关。总结起来,一个与现代进化生物学理论截然不同的进化机制似乎呈现在我们面前,拉马克主义的春天要到了么?

 

参考文献

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.

 

中国科普博览-从水到陆专栏 首发

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