秀丽隐杆线虫（ Caenorhabditis elegans ）物种的蛔虫将它们的基因传递给它们的后代，但它们也传递一些由反映其祖先经历的小 RNA 分子编码的可遗传特征。荧光染料突出了蠕虫的头部（绿色）和内部器官（红色）。
Heiti Paves/SPL/Science Source
玩交配游戏是有风险的。有机体必须应对存在的风险，即在错误的选择上做出正确的选择可能会导致后代终生受到不良基因的影响。他们还必须应对更直接的负担和风险：参与者需要收集资源以求爱并鼓起精力去追求潜在的合作伙伴。从事多情活动的动物也很容易成为捕食者的目标。
因此，难怪当时机成熟时，秀丽隐杆线虫蛔虫不会打扰这个过程。作为一个主要是雌雄同体的物种（有一些雄性为了多样化）， C. elegans蠕虫通常会自我受精，直到它的精子储存在生命后期耗尽。只有这样它才会产生一种信息素来吸引雄性并留在生殖游戏中。但是当环境条件变得紧张时，蠕虫会更快地变得具有性吸引力。对他们来说，性就相当于一张冰雹玛丽通行证——这是一场绝望的赌博，如果他们的后代在基因上更加多样化，那么在新的、更恶劣的条件下，有些人会过得更好。
科学家们认为这种由压力引起的转变纯粹是短暂的。但最近，当特拉维夫大学的科学家们在过热的环境中将秀丽隐杆线虫饲养了 10 多代时，他们发现这些线虫在被转移到较冷的环境中后，还能继续具有性吸引力的几代人。这一观察强调了遗传并不总是简化为对生物体基因的简单解释，它可能指向一种与传统自然选择协同工作的机制，以塑造某些生物体的进化。
正如《发育细胞》中的新论文所显示的那样，这种特征的原因不是线虫 DNA 的遗传变化，而是影响 DNA 使用方式的遗传“表观遗传”变化。研究人员——资深作者、特拉维夫大学的生物学家Oded Rechavi 、第一作者Itai Toker （现为哥伦比亚大学的博士后研究员）及其同事——确定了一种小 RNA 分子，该分子可以在几代人之间传递以发出信息素产生的信号.实际上，这种可遗传的 RNA 分子提高了线虫在压力时期进化的几率。
这种雌雄同体的蠕虫刚刚与雄性交配。接收到的精子被标记为红色。 C. elegans蠕虫主要是自我受精，但压力条件会使它们变得具有性吸引力。
伊泰托克
“表观遗传学具有双重功能：它们是遗传系统，但它们也是反应系统。你对环境的反应不是等待突变，而是改变你表达基因的方式，”特拉维夫大学的遗传学家和科学哲学家Eva Jablonka说，她没有参与这项研究。
过去一个世纪进化的主要观点是，提高种群和物种适应性的有利新特征需要起源于 DNA 突变。但对于科罗拉多州立大学的 RNA 生物学家Tai Montgomery来说，这项新研究也为短期表观遗传影响长期进化的潜力提供了有价值的线索。
他说：“这是一项引人入胜的研究，它指出了信息的表观遗传遗传的可能性，实际上是通过群体内 DNA 序列的变化导致进化的。”
打破老鼠尾巴教条
表观遗传学的概念在 1880 年代首次被探索，那是在德国弗莱堡成为老鼠的特别糟糕的时期。
生物学家奥古斯特·魏斯曼（August Weismann）试图将可遗传性状与不可遗传性状区分开来，他切除了数百只老鼠的尾巴，然后让它们繁殖，看看这些老鼠是否会将它们新的无尾状态传递给它们的后代。在经历了五代老鼠和一大堆粉红色尾巴之后，魏斯曼得出结论，再多的尾巴截肢也不会导致没有尾巴的后代。他在 1888 年的一本散文书中写道，这些“后天特征”不是遗传的，因为它们不会影响精子和卵子。对后来的生物学家来说，魏斯曼屏障意味着因环境而产生的特征无法遗传。
1940 年代，当英国生物学家康拉德·沃丁顿 (Conrad Waddington) 对果蝇进行实验时，这一教条的裂痕开始出现。科学家们知道，让蝇蛹经受热脉冲使它们成熟成成虫，而它们的翅膀上没有特征性的横向（或“交叉”）静脉。但当 Waddington 对“无横纹”果蝇的后代重复热处理时，他注意到即使没有温度冲击，它们最终也开始缺乏横纹。与魏斯曼的老鼠不同，它们继承了后天的特征。
Waddington 没有改变果蝇的 DNA。相反，他改变了其他东西，正如他所说，“基因与环境的相互作用导致了表型的形成”。他称此为表观遗传学，因为它在遗传学之上或之上运作。
如果 DNA 序列是生命之书中的文字，那么表观遗传学就是标点符号，标志着“我们吃饭吧，奶奶！”之间的区别。和“让我们吃奶奶！”通过告诉细胞的蛋白质翻译机器在哪里工作以及有多活跃，表观遗传信号可以作为现有遗传信号的补充，也可以作为这些遗传命令的表现。哈佛医学院的表观遗传学家Eric Greer解释说，这一层调控在基因组（很少改变）和环境（总是在变化）之间提供了一个接口。
“表观遗传学存在于环境和遗传学之间的界面，”他说。
直到 1970 年代，科学家们才开始发现表观遗传学的工作原理。事实上，他们仍在揭示细胞用于调节基因活性的多种机制。经典的表观遗传调控——Waddington 发现的那种——涉及附着在 DNA 上的化学标签和组蛋白的修饰，这些修饰改变了基因被翻译成蛋白质的难易程度。然而，分子生物学工具的发展最近使研究人员能够确定其他依赖于线虫等无脊椎动物中小 RNA 分子的表观遗传机制。
特拉维夫大学的研究人员 Oded Rechavi 和现就职于哥伦比亚大学的 Itai Toker 研究了跨代表观遗传是否会影响蠕虫种群的基因组成。
但这种基于 RNA 的表观遗传能改变生物体的长期进化轨迹吗？或者，由于该特征并没有永久连接到 DNA 中，它是否太短暂而无法对人群产生持久影响？ “这是一个我们想要解决的悬而未决的问题，”托克说。
秀丽隐杆线虫的交配习性提供了一种找出答案的方法。十多年来，众所周知，在秀丽隐杆线虫中，当事情变得艰难时，艰难的人就会交配。 Rechavi 和 Toker 意识到，如果小 RNA 导致了后天的吸引力特征，那么他们可以通过其对种群遗传变异的影响来衡量其进化意义。毕竟，遗传变异是自然选择的原材料。
蠕虫如何变热
虽然在 25 摄氏度下逗留可能是人类理想的假期，但对于秀丽隐杆线虫来说，这已经是临界温度了。如果科学家们只提高几代人的温度，就不会发生太多事情。只有当它们自己的精子不足时，蠕虫才会继续产生吸引雄性的信息素。但是当 Toker 和 Rechavi 将热量延长 10 代以上时，他们发现蠕虫在生命的早期就开始分泌信息素，早在它们自己的精子储存量减少之前。有趣的是，这种模式在蠕虫恢复到较冷（20 摄氏度）的条件后持续了三代。
Toker 和 Rechavi 首先需要确认小 RNA 是造成遗传交配效应的原因。这被证明是正确的：当研究人员阻止短干扰 RNA 在代际间传播时，后代并没有表达信息素来过早地吸引配偶。
然后 Toker 和 Rechavi 检验了他们的预测，即跨代表观遗传变化可能会影响蠕虫种群的遗传多样性。他们发现，即使具有遗传吸引力的蠕虫平均减少了 15% 的精子，但它们的交配频率更高。结果，它们的基因在多代交配竞争实验和数学模拟中迅速在人群中传播。通过这种方式，表观遗传效应似乎确实为增加蠕虫的“进化性”做好了准备，提高了它们获得的任何有用的新遗传特征迅速在种群中生根的机会。
尽管如此，普林斯顿大学的科琳·墨菲（ Coleen Murphy ）也研究了线虫的跨代表观遗传，但仍不相信观察到的效应与现实世界有关。 10 代（大约一个月），Rechavi 和 Toker 不得不将蠕虫保持在 25 C 到 27 C 之间的狭窄温度范围内：温度足以让早熟的交配效应成为可遗传的，但又不能太热以至于触发蠕虫进入所谓的停滞而不是繁殖的“dauer”状态。
“我不知道如何解释这种意义，”她说。
Toker 同意，设计实验室实验以更准确地反映现实世界的现象是该领域的一个大问题，也是科学家们尚未解决的问题。他说，表明这种表观遗传可以在实验室中发生只是了解其整体意义的第一步。
生物学家开始面临的另一个主要问题是多代表观遗传是否发生在脊椎动物身上。尽管科学家们已经发现了这可能发生在哺乳动物甚至人类身上的诱人线索，但许多科学家仍然不相信。他们认为，这种继承的证据充其量只是间接的。他们还指出，寿命长的动物的后代不太可能经历与父母相同的环境条件，这使得表观遗传的益处降低。 2022 年 1 月，麦吉尔大学和芝加哥大学的研究人员未能复制先前的发现，即小鼠可以表观遗传地继承先前感染的“记忆” 。
尽管如此，最近的发育细胞论文向蒙哥马利证实，即使是几代人的表观遗传遗传看似暂时的转变，也可能影响某些生命形式的进化。
他解释说，当一个有机体通过基因突变适应不断变化的环境时，它就会致力于这种新的生活方式。如果环境变回来，有机体会发现自己适应了不再存在的条件。表观遗传变化可能会提供一种更渐进的临时解决方案——一种应对不断变化的环境的方法，甚至在更永久的遗传变化被锁定到 DNA 之前参与自然选择。
“这种跨代的表观遗传可以让你暂时适应你的环境，”蒙哥马利说。 “你可以有这段时间来对环境进行采样……并决定你在什么时候承诺这是新的现实。”
对 Wahba 来说，这项工作是理解进化和自然选择日益复杂的另一个步骤。
“这比达尔文最初的想法要复杂一些，”她说。 “遗传力的很大一部分无法用遗传学来解释。”
编者注：Coleen Murphy 是 Simons 基金会赞助的 Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain 的一名调查员，该基金会也资助了这本独立编辑的杂志。
原文： https://www.quantamagazine.org/in-worms-inheritance-beyond-genes-can-help-evolution-20220419/