【健康知識】熬夜會影響下一代嗎

【健康知識】熬夜會影響下一代嗎？為什么神經(jīng)細胞不會變成紅細胞？我們的生命起源于一個受精卵，逐漸形成由大約200種不同類型細胞（包括神經(jīng)細胞、肌肉細胞、血液細胞等）組成的個體。從受精卵到形成不同類型細胞的過程被稱為細胞分化。1942年，沃丁頓針對細胞分化的過程首次提出“表觀遺傳景觀”（Epigeneticlandscape）的概念。該概念指出，細胞分化的過程類似于一個小球從山頂往山底滑落的過程，山頂?shù)男∏蛲禄涞穆窂侥軌蛴卸喾N選擇。不同的路徑對應著不同類型細胞的分化過程。另外，沃丁頓認為細胞分化的過程是一個單向不可逆的。小球一旦到達山底，它就不能到其它地方，例如神經(jīng)細胞不會變成紅細胞。然而，“表觀遺傳景觀”的內在機制當時并不清楚。對此，科學家提出了兩種假設：一種是隨著細胞的分化，細胞內可能永久性地丟失了一些基因；另一種假設是細胞內的DNA并沒有被丟失，只是有一些基因的表達被關閉了，導致這些基因信息無法被解碼成蛋白質，發(fā)揮生物學功能。約翰·戈登在1958年完成了著名的爪蟾細胞核移植實驗，證明了第二種假設。他將爪蟾小腸上皮細胞的細胞核移植到一個去掉細胞核的卵細胞中，該細胞最終成功發(fā)育出一個完整的爪蟾個體。這一實驗現(xiàn)象證明分化細胞的細胞核具有完整的遺傳信息，可發(fā)育成為完整的個體。同時他提出細胞分化的過程并不是細胞中基因丟失，而是細胞內一些不需要的基因的表達被關閉導致的。在DNA信息不變的基礎上，通過改變基因信息解碼的狀態(tài)，進而改變細胞的功能或者特征。這就是我們現(xiàn)在所說的“表觀遺傳”的內在原理。表觀遺傳怎么實現(xiàn)的？修飾，修飾，還是修飾在物質層面上，表觀遺傳可以簡單理解為在DNA上或周圍額外增加的化學修飾。那么，哪些表觀遺傳相關的化學修飾，可以影響細胞內基因的解碼狀態(tài)？人體細胞包含46條（23對）染色體。染色體主要是由DNA和被稱作組蛋白的蛋白質所組成。DNA首先纏繞著由八個組蛋白組成的八聚體，形成核小體結構。很多的核小體串聯(lián)成線性的結構，隨后通過多種方式的折疊壓縮形成染色體。如果把線性的核小體結構比喻成毛線，染色體就是一件毛衣。其實在每一件染色體毛衣上，除了毛線之外，還會有各種各樣的裝飾物——不同類型的化學修飾。這些化學修飾有些是先天遺傳的，有些是在后天環(huán)境的影響下逐漸形成的。這些化學修飾如同基因表達的紅綠燈，告訴細胞哪些基因需要表達，哪些基因不需要表達。在DNA上存在的甲基化修飾，甲基基團如同標簽一樣插在DNA的堿基上面，它會告訴“轉錄機器”不要靠近，阻止DNA上的基因解碼成蛋白質。在核小體的組蛋白上也存在各種各樣的化學修飾，包括乙?；⒓谆?、磷酸化等。如果組蛋白上有大量的甲基化修飾，它會使染色體呈現(xiàn)致密的狀態(tài)，如同一個線團，導致“轉錄機器”無法靠近位于其中的基因，這些基因就不會被表達出來。但是如果組蛋白上含有大量的乙?；揎椀脑?。那么對應的染色體就會呈現(xiàn)出松散的狀態(tài)，“轉錄機器”就能夠很容易地靠近位于其中的基因，使蛋白質表達出來?？纯碊NA甲基化調控基因表達的案例吧——X染色體失活與三色貓哺乳動物的性別是由性染色體X和Y決定的。雄性個體擁有X和Y染色體各一條，而雌性個體則擁有兩條X染色體。在X染色體上分布著上千個基因。如果雌性細胞中的兩條X染色體上的基因都表達，那么相比于雄性細胞，雌性細胞中將含有兩倍劑量的X染色體基因編碼的蛋白質。這樣的后果對細胞而言是災難性的。事實上，雌性細胞中X染色體基因相關蛋白質的表達量和雄性細胞是相當?shù)?。細胞是通過什么樣的機制實現(xiàn)這種X染色體基因表達的劑量補償過程呢？科學研究表明，在雌性細胞中，兩條X染色體中的一條會發(fā)生失活現(xiàn)象，導致失活的X染色體上的基因被沉默，無法表達出蛋白質。這種X染色體失活正是由DNA甲基化所介導。在日常生活中見到的三色貓呈現(xiàn)黑、白、黃三色相間的毛色，而且三色貓往往是雌性，這種毛色現(xiàn)象與X染色體失活密切相關。其具體的內在原因是控制黃色和黑色毛色的基因位于貓的X性染色體上；而貓的腹部毛色一般為白色，是由白化基因調控的，該基因位于常染色體上。由于公貓只有一條X染色體，它要么攜帶編碼黃色毛色的基因，要么攜帶編碼黑色毛色的基因，所以公貓主要表現(xiàn)為黃白或者黑白的毛色。母貓攜帶有兩條X染色體。在DNA甲基化的作用下，兩條X染色體中的一條會隨機失活，失活的X染色體上的大部分基因無法編譯出蛋白質。如果母貓的兩條X染色體中的一條攜帶編碼黃色毛色的基因，另一條攜帶編碼黑色毛色的基因。在X染色體隨機失活的影響下，有的細胞失活黃色毛色基因所在的X染色體，有的細胞失活黑色毛色基因所在的X染色體，加之常染色體上白化基因的作用，最終導致母貓表現(xiàn)出黃、黑、白三種毛色并存的狀態(tài)。因此，DNA甲基化主要通過阻止細胞內的基因表達，影響細胞的特性。我們的長相與父母十分相似，是因為父母將他們的基因遺傳給了我們。那么父母的表觀遺傳信息會傳遞給我們嗎？答案是肯定的。遺傳信息傳遞的介質是生殖細胞。我們的個體是由精子和卵細胞受精后得到的受精卵發(fā)育而來。父母分別通過精子細胞和卵細胞將遺傳信息傳遞給子代個體。在受精之后，雖然來自父母的染色體上的表觀遺傳修飾會發(fā)生劇烈的擦除或重新建立等過程，實現(xiàn)胚胎的正常發(fā)育，但是有一些表觀遺傳信息會從父母那里繼承并維持下來。一個經(jīng)典的案例是基因印記。我們人類屬于二倍體生物，我們的每個基因都有兩個拷貝，一個來自父親，一個來自母親。在一類被稱為印記基因的基因中，有些基因是來自父親的基因表達，來自母親的基因被沉默，而另外一些基因是來自母親的基因表達，來自父親的基因被沉默。這種現(xiàn)象被稱為基因印記?；蛴∮洷蛔C明與DNA甲基化有關。調控印記基因表達的DNA在一方親本中發(fā)生了甲基化，那個來自這方親本的基因就被沉默。在受精卵中，來自父母的基因印記相關DNA甲基化信息會被遺傳并維持下來。另外，在斑馬魚中，子代胚胎個體會完全繼承來自父親的DNA甲基化模式?，F(xiàn)在可以回答這些問題了隨著我們對表觀遺傳機制認識的加深，諸多問題的答案也逐漸清晰。例如雙胞胎的差異、衰老在基因層面的本質、環(huán)境對基因的影響等。同卵雙胞胎擁有相同的DNA信息，彼此之間卻存在諸多不同。研究人員發(fā)現(xiàn)同卵雙胞胎之間染色體上的各種各樣的化學修飾的水平在他們3歲的時候十分相似，但是在他們50歲的時候差異明顯增大。這一結果也說明，即使在基因相同或相似的情況下，后天的生活環(huán)境或者生活習慣會很大程度上改變細胞里面的表觀遺傳狀態(tài)，影響基因表達的模式，進而影響身體健康狀態(tài)。在衰老過程中，表觀遺傳狀態(tài)也會發(fā)生明顯的變化。相較年輕的細胞，老年的細胞里面組蛋白的表達量、DNA甲基化、組蛋白修飾等水平，尤其是抑制性的組蛋白修飾水平明顯下降，而一些激活性的組蛋白修飾水平顯著增加，從而導致在老年細胞里基因表達出現(xiàn)紊亂，出現(xiàn)一些異常的基因激活。長期高脂飲食的雄鼠會表現(xiàn)出體重增加和肥胖等癥狀，同時伴隨有葡萄糖不耐受及胰島素抵抗等糖尿病相關表征。它們的精子細胞的表觀遺傳狀態(tài)也發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為精子細胞中DNA甲基化的整體水平顯著降低，一些與胚胎發(fā)育有關的基因的DNA甲基化發(fā)生異常。如果將這種高脂飲食的雄鼠與正常飲食的雌鼠交配，產(chǎn)下的后代中雌鼠雖然沒有出現(xiàn)肥胖癥狀，但是它們在葡萄糖耐受測試中表現(xiàn)出胰島素分泌異常及葡萄糖不耐受。為什么高脂飲食的雄鼠的后代中雌鼠表現(xiàn)出葡萄糖不耐受呢？一種可以解釋的內在機制是子代雌鼠的胰島中Il13ra2基因的DNA甲基化下降，導致Il13ra2基因的表達明顯上升，最終導致胰島中β細胞異常。由此可見，日常的飲食習慣不僅會改變我們自身的表觀遺傳狀態(tài)，而且它也可以通過表觀遺傳影響到后代的健康狀況。另外，嚴重的睡眠問題會影響我們的表觀遺傳嗎？現(xiàn)代科技給我們的生活帶來了很多便利，然而現(xiàn)代人由于工作壓力大、精神緊張等原因，加上睡前看手機、玩游戲等一些不良的生活習慣，導致在我國有超過3億人存在睡眠障礙。小鼠與人類的研究工作向我們提供了一些線索。在睡眠剝奪的小鼠中，參與DNA甲基化建立的DNA甲基轉移酶Dnmt3a1和Dnmt3a2的表達量顯著上升，提示睡眠缺失會引起DNA甲基化的上升。一項針對雙胞胎的研究揭示作息習慣不同的雙胞胎表現(xiàn)出不同的DNA甲基化模式。在雙胞胎中，相較于睡眠時間較長的個體，睡眠時間較短的個體中約有50個基因的DNA甲基化水平發(fā)生變化。人體在經(jīng)歷一宿未眠之后，一些晝夜節(jié)律相關基因及代謝相關基因會發(fā)生DNA甲基化水平升高。睡眠障礙不僅僅會影響DNA甲基化，而且會導致組蛋白修飾的異常，包括組蛋白乙?；??？偟膩碚f，表觀遺傳可以在不改變DNA序列信息的前提下，通過調控基因的表達狀態(tài)，調節(jié)細胞和個體的生物學特征。它受我們，甚至是我們父母的生活環(huán)境以及作息、飲食等習慣影響，改變人體細胞的表觀遺傳狀態(tài)，影響基因的正常表達，直接關系到我們的身體健康狀態(tài)。最后，讓我們回答幾個有關表觀遺傳的小問題吧Q1拉馬克說的“長頸鹿的脖子變長是因為要吃到高樹上的葉子需要經(jīng)常伸長脖子而造成的”，這跟表觀遺傳有關系嗎？從某種程度上，拉馬克的學說與表觀遺傳有關，它強調了環(huán)境因素可能影響生物體的性狀，并可能遺傳給后代。但是表觀遺傳的發(fā)現(xiàn)并不是說明拉馬克學說