從酵母細胞入手，耶魯一項最新研究或向達爾文進化論發起挑戰

左：達爾文，右：拉馬克

物種是如何演化出極大的多樣性的？18世紀法國博物學家讓·巴蒂斯特·拉馬克和19世紀英國生物學家查爾斯·羅伯特·達爾文作為「進化論」的倡導者都曾提出了各自極具影響力的理論。

拉馬克所持的「用進廢退」學說認為，生物體的器官經常使用就會變得發達，不經常使用就會逐漸退化，同時生物對於環境的適應也會被遺傳。達爾文的「自然選擇」學說則指出物種對環境的適應來源於基因變異，只有通過變異，有了優勢的物種才會順利存活；隨著倖存的物種一代代繁衍，基因變異的結果將會遺傳，且愈發明顯。

上個世紀的科學家發現，面對環境變化，DNA的某些區域不編碼基因，而是調節基因活性。在過去的二十年中，研究人員也展現了物種和單個細胞的生物學特性都可以被環境塑造，即使沒有基因突變也可以遺傳，這一結果與達爾文理論的經典解釋之一相矛盾。

但是，究竟這些表觀遺傳特性或非遺傳特性如何被傳遞下去，一直沒有清晰的解答。

經典遺傳學（genetics）是指由於基因序列改變（如基因突變等）所引起的基因功能的變化，從而導致表型發生可遺傳的改變；而表觀遺傳學（epigenetics）則是指在基因的DNA序列沒有發生改變的情況下，基因功能發生了可遺傳的變化，並最終導致了表型的變化。

耶魯大學的科學家們在近期發表於《細胞報告》雜誌上的一項研究中，證明了表觀遺傳機制如何實時地促進酵母基因網絡的進化。更準確地來說，在酵母菌繁殖多代之後，酵母細胞可以傳遞研究人員誘導的基因活動變化。

「難道基因突變是基因網絡進化的唯一促進者嗎？抑或是表觀遺傳機制也能導致一代又一代維持穩定且可遺傳的基因表達狀態？」耶魯大學分子、細胞與發育生物學副教授，耶魯系統生物學研究所教員，該論文高級作者Murat Acar問道。

Murat Acar，耶魯大學分子、細胞與發育學生物學副教授

20世紀後半葉，生物學專業學生學到的都是幫助物種適應環境的基因突變世代相傳，最終導致了物種巨大的多樣性。

圖中的達爾文雀曾直接證明了這一理論：基因突變是物種適應環境的唯一方式

但是，該理論存在一個問題：基因突變具有多害少利的特性，並且由突變引起的生理變化要幾十代遺傳後才能穩定。但在拉馬克的理論中，能將穩定的基因表達狀態傳遞給後代這一概念則早有呈現。

在這項新研究中，Acar實驗室的研究生和該論文合著者羅欣嶽和宋瑞傑研究了表觀遺傳在單個酵母細胞中基因網絡活性進化中的作用，這種酵母每100分鐘進行一次無性繁殖。他們的實驗模型是一種名為半乳糖利用系統的基因網絡，它可以調節酵母細胞中的糖狀分子半乳糖的使用。通過每天的細胞分選，他們分離了群體中基因表達水平最低的細胞，並將它們在同樣的環境中單獨培養7天。

最終，他們發現在7天的分離期後，表達水平的降低持續了數天，且在多代之後仍有體現。耶魯團隊發現，單獨從基因方面來看並不足以解釋表達量的降低，表觀遺傳因素的遺傳也作用到他們觀測到的變化中。

Acar教授認為，研究結果清晰地展現了拉馬克表觀遺傳學對基因網絡進化有明顯的貢獻，並且單獨用經典的達爾文進化論並不能解釋觀測的結果。

「研究結果支持了這一想法：基因遺傳和表觀遺傳應該被綜合成一個『大統一進化論』。」——Murat Acar

該項研究的其他作者包括耶魯大學分子生物物理學及生物化學Eugene Higgins講席教授兼分子、細胞與發育生物學教授Mark Hochstrasser，以及博士後研究員David Moreno和Hong-Yeoul Ryu。

For more information on upcoming events, please follow us on WeChat at YaleCenterBJ.

更多精彩活動，請關注耶魯北京中心微信公眾號YaleCenterBJ。