Only Perception: 後天性狀可經由 small RNAs 遺傳

2012-01-02

後天性狀可經由 small RNAs 遺傳

Acquired traits can be inherited via small RNAs
http://www.physorg.com/news/2011-12-traits-inherited-small-rnas.html

December 5, 2011

哥倫比亞大學醫學中心（CUMC）研究者發現了首個直接證據：一個後天性狀（acquired trait，後天獲得的遺傳性狀）可在沒有任何 DNA 涉入的情況下經由遺傳獲得。這些發現指出，拉馬克（Lamarck，法國著名動物學家，提出用進廢退說） -- 其演化理論被達爾文的吞噬了 -- 也許不盡然都是錯的。該研究預計出現在 12/9 當期的 Cell 上。

"在我們的研究中，對某種病毒發展出抗性的圓蟲（roundworms）也許能將那種免疫力傳遞給牠們連續好幾代的後代，" 第一作者 Oded Rechavi， PhD 報告，CUMC 生物化學與分子生物物理學副研究科學家。"這種免疫力是以一種稱為 viRNAs 的小病毒性靜默因子（small viral-silencing agents）的形態傳遞的，運作獨立於生物體的基因組。"

在一項早期的演化理論中，拉馬克（Jean Baptiste Larmarck， 1744-1829）提出，當個體適應其環境且將那些後天性狀傳給他們的後代時，物種出現演化。例如，當長頸鹿伸長脖子吃高聳樹木上的葉子時，牠們發展出優雅的長頸，這種後天優勢就由後代繼承。達爾文（Charles Darwin， 1809-1882）的理論則剛好相反，他提出隨機突變提供生物體某種競爭優勢驅動物種的演化。在長頸鹿的例子中，某些個體碰巧出現稍微長一點的頸子，有比較好的機會確保糧食無虞也因此能夠有更多後代。後來遺傳基因的發現支持達爾文的理論，而拉馬克的想法逐漸遭到拋棄。

然而，某些證據指出，後天性狀可被遺傳。"經典的例子是，二次大戰的荷蘭飢荒，" Dr. Rechavi。"在飢荒期間生產的飢餓母親，其孩子對於肥胖以及其他代謝失調更為敏感 -- 他們的孫子也一樣。" 受控制的實驗已證明相似結果，包括最近一項針對大鼠的研究，證明父親長期的高脂肪飲食會導致其雌性後代肥胖。

根據研究領導者 Oliver Hobert, PhD（生物化學與分子生物物理學教授，以及 CUMC Howard Hughes 醫學研究所研究者）表示，不管怎樣，拉馬克式遺傳（Lamarckian inheritance）仍有爭議，而且沒人能描述一種可信的生物學機制。

Dr. Hobert 懷疑，RNA 干擾（RNAi）也許涉及後天性狀的遺傳。RNAi 是一種天然的過程，細胞用以下調（turn down）或靜默（silence）特定基因。生物體經常用它來擊退病毒與其它基因組寄生物。RNAi 透過摧毀 mRNA （這種分子傳訊者將編碼在基因中的資訊攜往細胞的蛋白質製造機器）而產生作用。沒有了 mRNA，基因實質上是鈍化的。

RNAi 是由雙股 RNA（doubled-stranded RNA，dsRNA）所觸發，那在健康的細胞內找不到。當 dsRNA 分子（例如，來自一隻病毒）進入細胞時，它們會被切成小片段，那引導細胞的 RNAi 機器去尋找與該片段遺傳序列相符的 mRNAs。該機器接著使這些 mRNAs 降解，有效摧毀它們的訊息，並使相應基因靜默。

RNAi 亦能藉由服用外源性（exogenous）dsRNA 而人為觸發。有趣的是，由此產生的基因靜默不僅發生在已接受治療的動物身上，其後代也一樣。然而，我們仍不清楚這種效應是否起因於 RNAs 的遺傳或是生物體的基因組內發生了變化 -- 也不曉得這種效應是否有任何生物學相關性。

為了更進一步探究這些現象，CUMC 研究者將目標轉向圓蟲（即 C. elegans，秀麗隱桿線蟲）。這種圓蟲有種不尋常的抗病毒能力，那以 RNAi 辦到。

在目前的研究中，研究者以 Flock House 病毒（唯一已知會感染 C. elegans 的病毒）感染圓蟲，接著養育牠們的方式會「使某些後代有無作用（nonfunctional）RNAi 機器」。當這些後代暴露於病毒時，牠們仍可防禦牠們自己。"我們追蹤這些蟲超過 100 代 -- 將近一年 -- 而此效應仍然存在，" Dr. Rechavi 表示。

這些實驗經過設計，故這些蟲無法透過基因突變而獲得病毒抗性。研究者下結論表示，擊退病毒的能力是以小病毒性 RNA 分子的形態被「記下來」，那接著在體細胞內傳給下一代，不單只透過生殖細胞系。

根據 CUMC 研究者表示，拉馬克式遺傳也許提供適應性優勢予某種動物。"有時候，生物體不要表現某種基因反而有益，" Dr. Hobert 解釋。"古典的、達爾文的方式，是透過突變而發生，故在接下來幾代，基因不是在每個細胞內就是在某種特定細胞類型內被靜默。然而這（下面所述）顯然更常發生，你可以想像一下情節：在其中，某種生物體也許要留下基因會更具優勢，並只有當遭遇特定威脅挑戰時，才將靜默此基因的能力傳下去。我們的研究證明，這可以用一種全新的方式辦到：透過傳輸染色體外的資訊。這種方式的美妙之處在於那是可逆的。"

任何屬於這些發現的治療性影響都言之過早，Dr. Rechavi 補充。"RNAi 機器的基本成份遍及整個動物界，包括人類。蟲有額外的成份，賦予牠們更強的 RNAi 反應。理論上來說，如果該成份能被合併到人類身上，那麼我們或能改善我們的免疫力甚至是我們小孩的免疫力。

CUMC 團隊目前正在檢查是否有其他性狀也透過 small RNAs 遺傳。"在一項實驗中，我們正要在培養皿中複製荷蘭飢荒，" Dr. Rechavi 表示。"我們正要使蟲子挨餓，並看看是否與飢荒的結果一樣，我們能看見 small RNAs 產生，並傳給下一代。"

CUMC 團隊的論文是：「Transgenerational inheritance of an acquired small RNA-based antiviral response in C. elegans」。另一位共同作者是 CUMC 的 Gregory Minevich。

※ 相關報導：

＊ Transgenerational Inheritance of an Acquired Small RNA-Based Antiviral Response in C. elegans
http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(11)01341-9

Oded Rechavi, Gregory Minevich and Oliver Hobert
Cell, Volume 147, Issue 6, 1248-1256, 23 November 2011
doi: 10.1016/j.cell.2011.10.042

Induced expression of the Flock House virus in the soma of C. elegans results in the RNAi-dependent production of virus-derived, small-interfering RNAs (viRNAs), which in turn silence the viral genome. We show here that the viRNA-mediated viral silencing effect is transmitted in a non-Mendelian manner to many ensuing generations. We show that the viral silencing agents, viRNAs, are transgenerationally transmitted in a template-independent manner and work in trans to silence viral genomes present in animals that are deficient in producing their own viRNAs. These results provide evidence for the transgenerational inheritance of an acquired trait, induced by the exposure of animals to a specific, biologically relevant physiological challenge. The ability to inherit such extragenic information may provide adaptive benefits to an animal.