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生命密码2：人人都关心的基因科普 [:1700232031]
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生命密码2：人人都关心的基因科普 表观遗传，到底是个啥？
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2000年6月26日，时任美国总统克林顿在宣布人类基因组草图完成之时曾说：“今天，我们知晓了上帝创造生命的语言。”在那一刻，世人似乎认为用DNA的ACGT四个字母就能够决定所有生命的性状。
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然而，他们错了。
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20年后，世人发现生命的调控机制远比先前想象的复杂。比如同卵双胞胎为什么长相不同？毛虫的基因明明没变，为什么破茧成蝶后外形有了如此大的变化？基因的DNA序列没变，生物体的表型却出现了变化，这种变化有时甚至可以遗传给后代（或后几代），这种情况要用一个术语——表观遗传学（epigenetics）才能解释。
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表观遗传的概念
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表观遗传学这个概念由英国的康拉德·沃丁顿（Conrad Waddington）于20世纪40年代提出，其中“表观”一词的词根epi来自希腊文，意为“在某物之上”。我们可以把其简单理解成对DNA进行修饰，给同样的DNA序列穿上不同的“外衣”。
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要知道，真实的DNA分子可不像直白的ATGC序列这么简单，不光七扭八缠地绕着组蛋白，部分DNA碱基上还连接着不同的修饰分子。这些修饰分子不会影响DNA本身的序列，但可以影响它们的功能。随着这些不同分子的修饰或者移除，基因的表现方式就会出现改变，进而影响RNA的转录、蛋白质的翻译、细胞功能甚至机体功能。更让人惊奇的是，如果在生物体发育的关键时机启动了关键的表观遗传修饰，修饰的结果将会伴随生物体终身。
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效果图：正常基因可以转录RNA，但基因被加了甲基后便进入“休眠状态”，无法转录RNA（绘图：傅坤元）
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最常见的表观遗传修饰是DNA甲基化（methylation）和组蛋白乙酰化（acetylation）。甲基化是指染色体中某个基因的DNA上有甲基基团（CH3）结合，从而影响DNA的正常转录和该基因的表达。乙酰化则是指染色体某处的组蛋白有乙酰基团（CH3CO）结合，使DNA与组蛋白的结合松散，这有利于DNA转录，可以促进此处基因的表达。除了甲基化和乙酰化，表观遗传修饰还包括磷酸化（磷酸基团修饰）、泛素化（小分子蛋白修饰）等。即使简单如细菌的原核生物也存在甲基化修饰，这证明甲基化修饰是一种古老的基因表达调控工具，在生命的早期就已经演化出来了，使生命可以在基因数量有限而外界变化无限的情况下提供更多应变的可能性。
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效果图：当组蛋白被乙酰化时，DNA与组蛋白的结合变得松散，从而促进DNA转录（绘图：傅坤元）
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表观遗传修饰的奇妙之处在于可以让具有同样基因组的细胞呈现出不同的表型。比如人体细胞都是由受精卵分裂而来的，拥有同样的基因组，却分化成了不同形态、功能的细胞，就是因为这些细胞的染色体发生了不同程度的表观遗传修饰。
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可遗传的记忆
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俗话说，一朝被蛇咬，十年怕井绳。但有些人从未被蛇咬过，甚至没见过真蛇，只是看见蛇的模型或者图案就感觉毛骨悚然，这似乎是与生俱来的对危险生物的恐惧。同样，在实验室里出生的小白鼠，即使从未见过猫，第一次看到猫时也会害怕。
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美国艾默理大学的研究人员曾做过实验，让雄性小鼠在闻到乙酰苯气味的同时遭受电击，使小鼠对乙酰苯的气味产生恐惧。之后这些小鼠产下的下一代，甚至孙代，大部分仍会对乙酰苯的气味敏感。研究发现，这三代小鼠脑中的嗅小球结构增大，对乙酰苯敏感的M71神经元增加，但M71神经元相关基因的序列并未发生变化，这说明这些恐惧的记忆是通过表观遗传机制传给后代的。
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表观遗传学和猫
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喵星人的毛色是研究表观遗传学最好的直观案例，请关注以下两个事实：三花猫为什么99.9%都是母的？克隆的花猫为什么花色不一样？
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猫的颜色是常染色体的白色基因和性染色体的有色基因叠加决定的，其遗传方式遵循“剂量补偿效应”。常染色体的白色基因让所有猫都有白色的底色，而X染色体上的有色基因分黑色和黄色两种。所以，常染色体和性染色体的共同作用产生了各种颜色的猫，比如纯色的黑猫、黄猫、白猫，或者杂色的大橘（黄白）、狸猫（黑白）。然而，只有携带两条X染色体的母猫才可能呈现黑、黄、白三色，所以三花猫一般都是母的。当然，生命科学中唯一不例外的就是例外。对于公猫来说，只有在性染色体为三体（XXY）的情况下才会呈现三色，故三色公猫（严格意义上讲，这属于性别异常）特别稀少。
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每个母猫的皮肤细胞都有两条X染色体，这两条X染色体不会共同起作用。在胚胎发育的早期，皮肤细胞中会有一条X染色体随机失活，如果是携带黑黄两色X染色体的母猫，可能一部分细胞是带有黄色基因的X染色体失活，那这个位置的皮毛就呈黑色；而一部分细胞中带有黑色基因的X染色体失活，这个位置的皮毛就呈黄色。这种X染色体失活是终生保持不变的，即使后来细胞继续分裂也不会改变颜色，所以猫的花色终生不变。
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一些宠物在寿终正寝时，其主人会对其进行克隆，以求得到一只与原来一模一样的爱宠。克隆的花猫虽然DNA序列与原猫一致，但胚胎发育过程中的X染色体随机失活遗传机制会重启，其皮毛花色也会随机表达。因此，就算是克隆的花猫，其花色也会与原先的猫不同。所以，如果想做克隆猫的生意，纯白、纯黄或者纯黑的猫看来是更好的选择。
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荷兰人的饥饿实验
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不得不承认，医学史上的很多进展，都是在战争年代的特殊环境下被发现的。1944年，荷兰因纳粹占领而出现粮食短缺，史称“饥饿的冬天”。到1945年5月，饿死人数已经超过2万人，堪称人类史上大规模的“群体饥饿实验”。由于荷兰的医疗保健登记系统非常完备，即使在饥荒年代都能够保持记录，所以相关人群的医疗信息跟踪记录都非常完善，而这些数据揭示了一个惊人的规律。
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人们发现，如果这个时期的孕妇仅在孕晚期营养不良，所产的新生儿往往体重不足；而如果孕妇是在孕早期营养不良，但之后营养充足，那么这些胎儿会迅速增重，在出生时体重已经趋于正常。在此后的数十年里，那批体重不足的婴儿一辈子都体型偏小、体重偏低，甚至“任吃不胖”，似乎一辈子都无法从营养不良的状态中恢复。而那些体重“追上来”的婴儿，成年后肥胖的比例偏高，其患糖尿病等代谢性疾病的比例也偏高，似乎一直都在过度补偿娘胎里没吃饱的那几个月，而且这个现象还会出现在下一代。第一代胚胎早期的营养不良，会影响第二代。