2017年1月23日

表觀遺傳學是什麼?

作者/許惇偉(牛津大學生物化學博士,專長為表觀遺傳學、分子生物化學。曾任職牛津大學,目前任教於國立高雄師範大學生物科技系。)

「你可以繼承DNA序列之外的一些東西。這正是現在遺傳學中讓我們激動的地方。(You can inherit something beyond the DNA sequence. That‘s where the real excitement in genetics is now.)」華生(James D. Watson )
圖一:荷蘭寒冬中饑餓的人們。
(National Institute for War Documentation, Amsterdam)

荷蘭饑荒的『遺傳』記憶
二戰末期,整個歐洲陷入了焦土戰,在最後幾個月,駐紮荷蘭的德軍運送多數糧食去作戰前線,讓荷蘭境內部分地區面臨了百年罕見的大饑荒,史稱為荷蘭的「饑餓寒冬(Hunger winter)」。最嚴重的時候每人每天平均可攝取的飲食熱量,只有標準量的3成,幾乎是一天只有一餐可食,而當時又正逢嚴冬,短短半年內造成2萬多人死亡,僥倖挺過來的數十萬人,即使戰後生活條件快速恢復,但許多人終生卻受到營養等代謝疾病問題的困擾,似乎那次大饑荒對他們生理上的影響一直持續著,沒有因為外在環境改善而完全回復健康。其中著名影星奧黛麗赫本(Audrey Hepburn)也是這事件受害者之一,終其一生,她一直被飲食營養吸收的問題所困擾。



這些人主要的健康問題,在於當時為了度過那艱苦的日子,身體自然而然的調整其代謝反應效率,要儘量消化與吸收得來不易的飲食,以儲存更多熱量,應付有一餐沒一餐的環境並活下去。對於饑荒中的人們,能有這項能力,是生存上很大的優勢,可是當他們回復到衣食無缺的環境後,卻發現不少人的身體仍保留了那段時期的饑荒記憶,似乎隨時擔心著糧食短缺,造成代謝反應持續異常,日積月累下,讓身體屯積過多的脂肪,漸漸地越來越多人有了肥胖以及第二型糖尿病的困擾。

公共衛生系統完善的荷蘭,戰後仍持續地追蹤這批人,以及其後代的健康狀況至今。幾十年下來大規模的統計發現,因為該饑荒對成人個體所造成的代謝紊亂,其影響可能會持續終生。研究也發現,若受孕期經歷過這飢餓寒冬,在母體內有過極度營養缺乏經驗的胎兒,雖然出生時體重正常,但成長期間營養吸收與利用卻會特別有效率,好像仍然停留饑寒時期的那種代謝狀態,長大後常有明顯代謝失調的肥胖或第二型糖尿病症狀。

更特別的是,若該嬰兒是在受孕的前3個月期間內,經歷過這種饑荒造成的營養缺乏,待其成長後除了可能會顯示出代謝失調的肥胖症狀或第二型糖尿病外,其下一代似乎也有這種體質,會出現相似的肥胖與第二型糖尿病困擾。這些研究持續追蹤到第三代到更後代,結果發現饑荒所造成的代謝紊亂症狀,竟可能代代都會出現。這也代表著,後天饑荒所造成的極端生理反應會被身體記住,並傳給下一代。換句話說,你胖,可能是你祖父母挨餓的結果!

且慢,這難道是說,這些人當年被饑寒環境逼迫而演變出的代謝反應異常,竟然可以「遺傳」給子代?那當初用來形容後天獲得性狀可以遺傳的拉馬克(Jean-Baptiste Lamarck)的用進廢退說(use and disuse theory),在某些時候會是一種事實?拉瑪克的學說不是早就被埋葬了?那孟德爾(Gregor Johann Mendel)以降的古典遺傳學又是哪裡出了錯?

細說從頭,遺傳學的幾個基本概念
漢朝王充在其《論衡·講瑞篇》中寫道:「...龜生龜,龍生龍。形、色、大小不異於前者也,見之父,察其子孫,何為不可知?」已經說明了古人對於遺傳這個觀念的觀察與理解,事後也被簡化成「龍生龍,鳳生鳳,老鼠的兒子會打洞。」

我們常用來形容遺傳現象的粗淺概念,如果套用上述的荷蘭大饑荒事件,當然老鼠的兒子還是老鼠,也依舊會打洞,但可能要變成「挨過饑荒老鼠的兒子有些胖到不太好打洞。」

令人不解的是,這些影響主要是後天的飲食、生活方式和環境影響造成,理應只會改變當時的個體,應該不會傳給下一代。但事實擺在眼前,受過饑荒的人們,其後代有可能也會有受饑荒時候的反應,那傳統的遺傳學如何解釋?造成這種現象的機制為何?

要進一步明白這現象,要先來看看遺傳學的幾個基礎概念,第一個就是生物的表現型或是性狀(phenotype)。任何我們看到的生物呈現出來的樣子,包括明顯的大小、形狀、顏色到不能明顯被看出的生理生化反應,甚至在特定環境才能察覺差異的耐冷、耐熱、耐餓等特質,都統稱為生物的表現型。當時孟德爾告訴我們,這種表現型會受到其親代雙方的表現型特徵所影響,經過後人的詳細研究,我們了解生物之所以會有特定的生長表現形式,是受到身體某種從上一代傳下來,稱之為遺傳物質的化學分子影響。

現在知道這些稱之為遺傳物質的東西,就是去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)的長鏈狀化學物質。而去氧核糖核酸其實是由腺嘌呤(adenine, A)、胸腺嘧啶(thymine, T)、鳥嘌呤(guanine, G)、胞嘧啶(cytosine, C)4種核苷酸排列組合而成,這些排列順序,會因為不同生物的個別特色而有不同的排列規律與長度。舉例而言,人類每個細胞中的去氧核糖核酸就是由64億核苷酸排列組合而來。如果某部分的排列失序,可能會對應到生物某性狀的變異,而這些去氧核糖核酸,就是我們從父母身上繼承過來的遺傳物質。

這些遺傳物質又被稱為遺傳密碼,傳達某種訊息,最終會透過細胞內一連貫的解碼機制將其訊號還原,再用這些還原的訊號,去製造左右細胞結構的構造性蛋白質,或是調節細胞生理反應的功能性蛋白(酵素),這些分別能對應到不同蛋白質,長短不同的去氧核糖核酸,就是俗稱的「基因(gene)」。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第566期】


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