零距離科學:表觀遺傳學——創傷經歷能遺傳後代?

零距離科學:表觀遺傳學——創傷經歷能遺傳後代?

我們想讓你知道的是

DNA對我們的影響是如此之大,更引發了不少「先天還是後天」(nature vs nurture)的爭論:是否我們一出生就被自身的遺傳物質所命定呢?

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

若說「遺傳學」(genetics)自十九世紀末是生物科學的主角之一,那麼「表觀遺傳學」(epigenetics)則是二十世紀末的後起之秀。本集《零距離科學》會跟大家介紹近年有關表觀遺傳學的研究。

DNA的影響「先天還是後天」?

今天我們對「基因」這個詞絕不會感陌生。即或是對分子生物學一竅不通的人,他大概也知道自己體內藏著一些物質,而該物質能影響甚至決定他某些生命特徵。自二十世紀中葉開始,人類發現了該物質就是DNA。這一連串由A、T、G、C核苷酸所組成的東西就是每個人從父母遺傳而得的「生命密碼」。這套密碼可決定或影響我們的髮色、高矮、肥瘦,甚至跟我們的性格、喜好有關;若密碼出錯時,我們也會受其影響,產生各種可怕的遺傳病。到了二千年代,科學家更接近完整的測定出人類染色體內60億對核苷酸序列,仿佛破解了這套生命密碼。DNA對我們的影響是如此之大,更引發了不少「先天還是後天」(nature vs nurture)的爭論:是否我們一出生就被自身的遺傳物質所命定呢?

「先天還是後天」的討論能夠讓我們更容易理解表觀遺傳學的位置與意義。首先,遺傳學是有關先天的、穩定的、是靜態的事。它的研究對象是「不變的物質」。這名為DNA的「遺傳物質」的序列在每人體內都近乎是一生不變的(除了因突變而造成的改變)。此外,這些物質在人體不同部位、不同器官裡都是一樣的。也就是說,無論從時間上或空間上看,對某個個體來說,他的遺傳物質大體上是齊一而不變的。

表觀遺傳學

但表觀遺傳學發現人體內的遺傳物質並不是一成不變的。表觀遺傳學所關注的是後天的、不穩的、動態的事。它的研究對象是「過程與轉變」,也就是指發生在DNA上的種種變動。沒錯,我們DNA序列的確是難以改變的。換句話說,打從我們遺傳了父母的生命資訊那刻,我們便受限於那些資訊,而且對此我們不能加、不能減、不能改(除非使用人工方法)。不過,雖然資訊的整體早已被定,但裡面各部份是否會被表達出來,這卻是受著多變的過程所影響著。表觀遺傳學所看重的,正是有關那些影響著「表達」的過程與機制。

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生命資訊雖然全部藏於DNA中,然而我們體內有不少機制去決定哪些部份要被表達、哪些要被抑壓。這種「開關」機制便構成表觀遺傳學的主要研究對象。其中一種表觀遺傳的控制機制是染色質(chromatin)藉不同的開合形態來影響基因的表達。

研究表觀遺傳學比起研究遺傳學困難得多。正因為DNA序列是齊一不變的,我們不難測定它的序列,再把來自不同人的DNA序列放在一起比較分析。但表觀遺傳學的研究對象既然是處於流變中,不斷受著環境所影響,科學家又可以怎樣研究呢?紀錄片中正正提出兩種研究的路向:1)縱貫性雙胞胎研究及 (longitudinal twin study) 與2)自然實驗 (natural experiment)。

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每個人體內的DNA均蘊藏著他的生命資訊。以往遺傳學著重於DNA那「不變」的序列,今天表觀遺傳學卻嘗試理解DNA在表達時的種種「變動」。

基因不是人生一切

對表觀遺傳學者來說,同卵雙胞胎是絕佳研究對象。他們的「基因組」(genome)是完全相同的(嚴格來說不是「完全」相同,因胚胎在早期發展時可能已發生少量突變,而那些突變會出現在後來的一切細胞裡。);但他們在成長時總會遇到不同的人、事、物等環境因素,以至兩者的「表觀基因組」(epigenome)變得不盡相同。

紀錄片開首所介紹的雙胞胎姊妹正說明了基因並不是人生的一切。卡琳(Karin)與西維亞(Sylvia)是同卵雙胞胎。早期父母常把她們視為一體般的對待。即或在如此相似的環境,兩位女士在長大過程中卻依然走上不同的人生道路,建立了不同的性格與特徵。這些相異處是無法以她們的基因序列所能解釋到的。

此外,一份2012年刊登在Genome Research期刊的研究更發現早在胚胎發展時期,雙胞胎就已經會因著身處在母親子宮裡的不同位置而產生表觀遺傳上的分別。另外也有研究指出雙胞胎基因組內的甲基化(methylation)會隨著時間推演而越見不同,而甲基化正是影響表觀遺傳的重要機制之一。

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卡琳(Karin)與西維亞(Sylvia)是同卵雙胞胎,然後兩人長大後的生活卻大不相同,說明基因並不決定一切。

「飢餓的冬天」

另一方面,我們並不能隨意的主動將胚胎放在不同環境中來研究他們的表觀遺傳資訊會否出現改變,因為這類實驗是與道德不符的。這個時候自然實驗則為科學家提供多一些參考資訊。其中一個最有名的例子便是荷蘭於1944至1945年發生的重大慘劇——「飢餓的冬天」(Dutch Hunger Winter)。

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「飢餓的冬天」是荷蘭於1944至1945年因戰爭而帶來的大飢荒。當時大部份市民攝取的卡路里不足一千。

荷蘭於二戰末期因戰爭而被斷糧,國家出現大規模的飢荒。這個飢荒的特別之處是在於它是在一個現代而且發達國家中發生,因此我們對當時發生的事情有著詳細記錄,乃至我們知道當時人們每天進食的熱量是多少(在情況最嚴峻的時侯,當地一個成年人每天只能攝取五百多卡路里,遠低於正常水平。),也知道哪些人是在當時懷孕分娩。這些因不幸而生的資料對表觀遺傳學者來說是非常重要的,因為這是首次讓我們知道母親的飢餓對嬰孩的表觀遺傳資訊有何影響。

這歷史事件引發了不少表觀遺傳學的研究,紀錄片對此也有所提及。後來更有研究提出這些表觀遺傳的改變甚至可傳至兩代之後——即是說假如祖母曾經歷過飢荒,即或她的孫兒一生從未遭預過類似的事情,卻依然會受其影響。不過這類型有關「表觀遺傳的隔代效應」(Transgenerational epigenetic inheritance)的研究尚未算成熟,仍有待進一步的實驗我們才能確認是否真的有這種現象。

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不單飢餓的母親會影響下一代的發展,一些帶來創傷的事年同樣會帶來影響。Viktoria的母親是在戰亂中懷上她,雖然Viktoria自己未層經過戰亂,但從表觀遺傳層面上卻把該創傷帶來的影響遺傳下去。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31播映。本集於4月30日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex