从“母亲”那遗传来的抗压能力 算不算外挂？

　　出品：科普中国

　　制作：蒋梦萍（ 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心）

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　你可能听到过这样的说法：

　　“你这么聪明，你妈妈应该很聪明吧？”

　　“你妈妈和外婆这么长寿，你以后肯定也能长寿的。”

　　这些说法都在讨论母亲对于后代的影响，而的确也有研究表明，后代的智力、寿命都与母亲关系密切。

　　图片来源：Veer图库

　　不过啊，咱们今天这篇文章要科普的并不是这些，而是另外一种跟母亲相关的遗传现象——应激记忆的母系遗传。

　　线虫的应激记忆可以跨代遗传？

　　受到环境压力胁迫时，生物体会产生适应性的应激反应，来抵抗环境压力，这种应激反应能否遗传给后代呢？

　　本月初，中国科学院遗传与发育生物学研究所田烨课题组的最新研究成果对这个问题给出了肯定的回答。他们以封面长文的形式在《自然-细胞生物》（Nature Cell Biology）杂志，在线发表了题为《神经元线粒体应激通过提高后代体内线粒体DNA的拷贝数诱导应激记忆的跨代遗传》的文章，报道了线虫应激记忆的跨代遗传现象。

　　这线虫又是何物？熟悉生物学的朋友们可能会知道，线虫是一种经典模式生物，它全身透明，成虫体长仅1mm，微小的身体却包含了完整的分化组织，甚至有“大脑”的神经系统。

　　线虫（图片来源：keys.lucidcentral.org）

　　进入21世纪以来，已有六位科学家以线虫为实验对象取得成果而获得诺贝尔奖，这使线虫成为了生命科学研究领域的Super Star。

　　而你能想到吗，一毫米大小的线虫，居然能够跨代遗传应激记忆。研究人员曾将亨廷顿舞蹈症（Huntingdon’s disease）的致病基因表达在线虫的神经元细胞中，造成神经细胞内的线粒体损伤，跨组织跨细胞地诱导了线虫的肠道细胞出现了线粒体未折叠蛋白反应，简称UPRmt——这是线虫机体的一种保护性应激反应。这种跨组织的线粒体应激的交流可以帮助线虫更好地应对局部的线粒体损伤。

　　当这些线虫与野生型线虫交配后，并未携带致病蛋白的野生型子一代中，有30%的个体出现了UPRmt信号的诱导，也就是出现了应激反应。并且，在出现应激反应的子一代中，有80%的个体会继续将UPRmt信号传递给子二代。

　　不可思议的是，研究人员在线虫的第50代中，仍然观察到了这种应激信号，表明母体的应激记忆可以跨代遗传给后代，甚至在50代以上。

　　线虫的应激记忆可以遗传50代以上（图片来源：参考资料1）

　　应激记忆的遗传密码

　　那这种应激记忆是如何实现跨代遗传的呢？答案就藏在线粒体DNA（mitochondrial DNA，mtDNA）的拷贝数中。

　　通常情况下，一个细胞内有多个线粒体DNA，即多个拷贝。线粒体DNA的多拷贝性被认为是一种自我保护机制，因为大部分线粒体疾病需要基因突变达到一定比例才会发生。

　　比如，母系遗传病中较常见的线粒体疾病：Leber遗传性视神经病变（LHON）、非综合性耳聋等，需要基因突变率达到99.5%以上。

　　当线虫神经元内的线粒体受到损伤后，神经元会与生殖腺进行信号交流，通过Wnt通路，使后代的线粒体DNA拷贝数增加。而拷贝数过多，又会引起线粒体内蛋白质稳态的失衡，进而诱导机体激活UPRmt，这就是通过线粒体传递应激记忆的原理了。

　　实际上，后代线粒体DNA拷贝数的增加所诱发的UPRmt，对机体有多重影响。与野生型的同伴相比，这些遗传了母体应激机制的线虫寿命显著增加，并表现出对于热压力和百草枯的抵抗力。

　　然而，鱼与熊掌难以兼得，这些具有更强抗逆能力与更长寿命的个体发育迟缓，而且生殖力也下降了。

　　由于线粒体DNA只能从母亲获得，因此这种应激记忆是通过母系遗传实现的。即使子代并未经历应激损伤，却仍然能够继承“母亲”的应激记忆，站在“母亲的肩膀上”，成为更强大的自己。

　　什么是母系遗传？它和父系遗传有何区别？

　　那究竟什么是母系遗传呢？

　　在回答这个问题之前，让我们先来了解一下父系遗传。我们知道，遗传物质主要存在于染色体上，一个普通人体内的46条染色体，一半来自母亲，一半来自父亲。

　　对于男性而言，从父亲处得到的是22条常染色体和一条性染色体Y。一些特定的基因片段只存在Y染色体上，这些片段也只能遗传给男孩。

　　这种从父亲传给儿子，伴随Y染色体遗传的现象就是父系遗传，例如，人类的外耳道多毛症以及鸭蹼病，就是两种常见的父系遗传症状。

　　那么，母系遗传是不是就指一些基因，能通过母亲的X染色体传给女儿呢？

　　这样推测可就太简单了，因为——母系遗传跟X染色体无关。

　　是的，没有关系！在遗传学上，母系遗传特指上文提到的线粒体DNA遗传。

　　人类遗传物质除了存在于染色体DNA，还存在于线粒体DNA（约占总DNA的1%~2%）。

　　线粒体与线粒体DNA（图片来源：Veer图库）

　　你可能会困惑，父亲也有线粒体呀，线粒体遗传怎么就一定是母系遗传呢？

　　这是因为，父亲精子里的线粒体特别少，而且受到严格的监控，在受精之后便会被就很快地降解。

　　因此，从受精卵发育来的个体，只会携带有来自母亲的线粒体，而这些线粒体也只会通过女儿传给后代，这就是母系遗传，是不是很神奇！

　　充满争议的“线粒体夏娃”

　　线粒体DNA只能通过母系遗传，那它的来源究竟是什么呢？

　　上世纪80年代，加州大学伯克利分校的威尔逊遗传小组发现，现代人类的线粒体DNA可以分成两大类。第一类仅见于一些非洲人中，另一类则分布于包括非洲人在内的所有种族中，且最终来源也是非洲人。

　　经过进一步研究，威尔逊研究小组认为，在古老的从前，存在一位人类的共同祖先，所有现代人体内的线粒体DNA都来源于这位女性，这就是著名的“线粒体夏娃”。“夏娃”理论一经提出，吸引了许多人的关注，也引发了巨大的争议。

　　当然，我们需要注意，线粒体起源虽与人类起源有一定关系，但绝不能够划上“等号”。

　　“线粒体夏娃”模型：现代人的线粒体DNA往上可以追溯到一个女性

　　（图片来源：参考资料4）

　　“物竞天择，适者生存”，拥有更强的适应力，才能在更严酷的环境中生存。

　　线虫是幸运的，它们的适应能力并不需要再经历一遍母体的“痛苦”就能获得。线虫的母体“祖先”，真的是为“子子孙孙”操碎了心。线粒体DNA非常稳定，母体选择它作为应激记忆的载体，不可谓不聪慧。

　　透过线虫的跨代遗传，我们看到了生命的传承，也看到了母亲们的伟大智慧。

　　参考资料

　　1. Zhang, Q., Wang, Z., Zhang, W. et al. The memory of neuronal mitochondrial stress is inherited transgenerationally via elevated mitochondrial DNA levels. Nat Cell Biol (2021). https://doi.org/10.1038/s41556-021-00724-8

　　2. Cann RL, Stoneking M, Wilson AC (1987), "Mitochondrial DNA and human evolution", Nature, 325 (6099): 31-36

　　3. Lewin R (1987). "The unmasking of mitochondrial Eve". Science. 238 (4823): 24–26. Bibcode:1987Sci...238...24L. doi:10.1126/science.3116666. PMID 3116666.

　　4.https://commons.wikimedia.org/wiki/File:MtDNA-MRCA-generations-Evolution.svg