遗传的

基因与环境之间

基因与环境之间,先天与后天之间的界限越来越模糊。我们的历史和环境决定着我们使用基因的方式。

让·克洛德·阿梅森 对于科学N°350
本文仅供《 对于科学》的订户使用
Au milieu du 十八e 世纪,两种遗传理论发生了冲突。预设理论假设,所有未来的后代从一开始就已经以微小个体的形式被预成型。根据表观遗传学的原理,每个胚胎根据其遗产和环境以独特的方式出现并构建。一个世纪后,达尔文的进化论赋予了遗传以新的含义,这表明遗传在每一代中的离散变化不仅在每个人的独特性出现时起作用,而且在更长的时间内,新物种的诞生。然后发现具有分子性质的基因-脱氧核糖核酸 -,遗传密码的普遍性,然后分子遗传学的兴起和转基因生物的创造,从根本上改变了我们对生物的理解。

这些发现催生了这样一种观念,即我们的身份和我们的未来-我们是谁以及我们将成为什么样-从我们的概念出发,基本上是按照我们的基因序列来书写的。研究表明,暴力,爱情忠诚,同性恋,宗教信仰等与基因的特定序列有关,已经得到了许多媒体的报道。 30年前,英国动物学家理查德·道金斯(Richard Dawkins)通过提出“自私的基因”的比喻,成功地普及了遗传决定论的最极端观点之一:“基因在巨大的内部是安全的”机器人,从远处控制世界。基因存在于你我之间。他们创造了我们,身体和精神;他们的保存是我们生存的最终原因……”

今天,用法国生物学家亨利·阿特兰(Henri Atlan)的话来说,我们目睹了“所有遗传学的终结”。基因与环境之间(先天与后天之间)的绝对边界的观念开始消失。它让位给了一个更丰富,更开放的概念:基因及其环境之间的持久相互作用(见图1)。我们如何探索起源与表观遗传之间的界限?在回顾了遗传决定论的复杂性之后,我们将看到它受到原始监管者的制约:环境。

我们是否可以将基因的“操纵世界”和“创造我们的身心”的思想降低到生物的复杂性上?基因不仅没有意图,而且也不是参与者:对于包含它们的细胞,它们代表了可能性和约束的全部。并且它们的使用因情况而异。例如,从同一基因,细胞通常可以产生不同的蛋白质。我们细胞中真正的参与者是蛋白质。他们的活动与他们采用的三维形式有关。这种空间结构不仅是由产生它们的基因序列决定的,而且还取决于它们相互作用的其他蛋白质的活性,特别是称为“分子伴侣”的蛋白质家族。这些是蛋白质(细胞是由某些基因制成的),它们参与从其他基因中制造其他蛋白质……

遗传决定论

因此,通常不存在从基因到蛋白质,从基因到功能,甚至从基因到人的行为的简单的单向因果关系链。 ...“遗传程序”的简化但流行的概念是一个模棱两可的概念:“这是一个程序”,H。Atlan写道,“它需要其阅读和执行的产物才能能够被读取和执行...“从字面上看,程序意味着“预写”。但是我们基因中预先写的-如果我们可以使用这个词-不是我们的身份或我们的未来,而是可能性和制约因素,其实现永远取决于我们的历史。和我们的环境。因此,我们大脑中的数亿亿个神经连接的精确映射并未预先写入我们的基因中,而是逐渐从我们的神经元之间的交换,其活动以及生存或死亡所依赖的交换中显现出来。而且这个网络,对于每个人,甚至对于同卵双胞胎,都不同,它会根据我们的历史和环境在我们的生存过程中发生变化。

基因,蛋白质,细胞,器官,个体,物种,生态网络的网络:在每个层次上,当出现新的相互作用时,用帕斯卡的话来说,大部分元素都被揭示出来, “引起和引起的事情”。因果链是多向的,具有反馈,放大或抑制作用。美国遗传学家理查德·勒文汀(Richard Lewontin)写道:“内部和外部相互渗透”,“生物既是这种相互作用的地方,又是这种相互作用的产物”。在大多数情况下,外部与内部一样重要,环境与基因一样重要,后代与先天一样重要,在人类和某些动物物种中,文化与自然一样重要。 。

当然,我们的大部分特征(例如我们的血型)与我们的基因序列直接相关。但是在2003年,宣布人类基因组测序的公告(与某些研究人员所说的相反)不允许“揭示人的本性”,即我们所拥有的基因没有老鼠多,没有更多。果蝇(或醋蝇)比水稻少的观点,主张对基因决定论的概念进行重新评估。相比之下,2005年,我们共有98%以上的基因序列的黑猩猩基因组测序,也没有显示出使“人性”具有特异性的原因。尽管基因与生物的本质特征之间存在明显的关系,但这种关系的本质在大多数情况下远没有我们过去想象的那么简单,单向和僵化。 。但是,强大的遗传决定论(甚至是绝对的)仍然很普遍。它通常与遗传性遗传病知识的过度概括有关。

阅读基因的未来?

我们大约有25,000个基因,每个基因一式两份(两个等位基因,通常略有不同),一个基因是从我们的母亲那里遗传而来的,另一个是从我们的父亲那里继承的。这些是每个基因已经出现并继续出现在人类中的两个变体中的两个,并且有性生殖不断地混合并多样化。

许多遗传性疾病很少见,是由于特定等位基因(或同一基因的两个特定等位基因)的传播所致。如果仅一个或两个等位基因的序列足以以高概率预测疾病的发生,这是否意味着我们所有基因的预测能力同样强大,并且如果我们能够解释他们的顺序,我们每个人都会(几乎)了解我们的身份和未来的一切?

让我们考虑一个关于生物而不是机器的预测的例子。当航天飞机挑战者号于1986年起飞后不久爆炸时,物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)表明,爆炸是由于温度突变引起的关节可变形性的简单缺陷所致。因此,密封的特殊性质使得有可能高概率地(确定性地)预测由成千上万个部件组成的航天飞机会爆炸。对这一部分的研究表明存在一个重要的约束,威胁到整体的完整性。研究航天飞机的部件通常能预测其飞行的持续时间,方向和目的地吗?没有。换句话说,回到人类和人类,某些等位基因的特定序列可以预测疾病的极可能发生这一事实并不意味着我们的基因序列就可以预测未来。 。

环境和基因的使用

在我们国家中,绝大多数最常见的严重疾病-癌症,心血管疾病,神经退行性疾病-与我们的环境和生活方式有关,而与我们的基因无关。而且,当某些基因的序列可以预测罹患这些疾病中的一种的风险时,通常是根据人群中的概率而不是给定的人。但是我们不能仅仅将基因的影响与环境的影响分开:环境会影响我们使用基因的方式。探索基因与环境之间的相互作用是当前正在全面扩展的研究领域:表观遗传学。从字面上看,表观遗传学是指基因上游的“上方”基因,包括控制其使用的基因。

细胞是否可以从给定的基因中制造蛋白质,特别取决于某些蛋白质(称为转录因子)与基因调控区域的结合。脱氧核糖核酸 允许使用该基因。这种固定方式决定了制造的可能性 阿恩 这个基因的信使;这些 阿恩 会离开细胞核,然后被细胞翻译成蛋白质。引起甲基化的酶促反应-这是甲基化反应-脱氧核糖核酸 对应一个基因会阻止细胞使用该基因。某些蛋白质(组蛋白)的化学变化,这些蛋白质组成了染色体并围绕着该区域脱氧核糖核酸 基因所在的位置或其调控区域具有相同的作用,因为它们会局部改变染色体的三维结构。例如,从组蛋白中去除乙酰基的酶促反应-这是一种脱乙酰化反应-浓缩了染色体蛋白质,围绕着该部分脱氧核糖核酸 相应地,防止细胞使用其中的基因(见图3)。这些反应取决于细胞的历史,并受其环境的影响:肝细胞与心脏细胞的蛋白质不同,而我们所有的细胞都含有相同的基因。

这些表观遗传变化可以持续存在,并代表一种印记形式,可在细胞的各个世代之间继承:因此,肝细胞将产生肝细胞。这些变化说明了受精卵细胞最初产生的最初相似细胞-胚胎干细胞-如何逐渐转变为构成我们身体的200个不同细胞家族。这些现象也是所谓的“亲本印记”的原因,即某些基因的等位基因不能被我们的细胞以相同的方式使用,这取决于我们是从母亲那里继承还是从母亲那里继承。我们的父亲。他们还解释了“克隆”;细胞核的转移(即所有染色体,脱氧核糖核酸 以及它所包含的基因)从皮肤细胞转移到卵子中,该卵子的核被去除了,从而使胚胎得以发育:卵子与其他细胞的使用方式不同。

这些表观遗传机制不限于控制基因的可及性。我们的基因及其调控区域仅占我们的30% 脱氧核糖核酸 :长期以来,其余部分都被认为是不必要的,因此,该名称为“ 脱氧核糖核酸 垃圾箱 ”。但其中一部分 脱氧核糖核酸 垃圾会使细胞产生微阿恩,可能会影响一些稳定性 阿恩 信使,从而防止例如某些基因产生蛋白质(请参见图2)。这些机制的发现在2006年获得了诺贝尔生理学和医学奖。

因此,知道基因的特定序列通常不足以预测这种细胞或这种细胞是否使用该基因,或该生物如何使用该基因。最近的工作表明,两个遗传上相同的人(同卵双胞胎)在他们的一生中逐渐获得表观遗传修饰,从而导致使用相同基因的方式不同,从而参与了其生物学奇点的构建。

表观遗传机制也参与疾病的发展。例如,表观遗传变异和遗传突变均与癌症有关。对于某些遗传性疾病,命运似乎完全写在基因中,也许是相同的。如果将人类等位基因插入基因中,则具有人类疾病特征的神经退行性疾病(例如亨廷顿舞蹈病)会在小鼠中引起。当这些小鼠在通常的动物舍条件下生活时,在所有基因相同的小鼠中,疾病和死亡可重复发生。另一方面,当笼子变大时,通过放置能够进行探索,身体活动和精神刺激的物体,疾病和死亡的发生会延迟。我们对待那些罹患这些疾病的人的宿命论有时可能代表着一种“自我实现”的预言:相信任何事情都无法改变他们的命运,我们可能对其周围的环境尤其是在生活上的关心不够。他们的人类环境。

除了疾病外,表观遗传学还主要关注环境对生物基本生理特征出现的影响。例如,在某些乌龟和鳄鱼中,性别不是由基因决定的,而是由卵子的环境-外界温度-决定大脑的性激素产生来决定的。对于某些鱼类,社会环境导致成年后发生性别变化。在某些情况下,生物的生长取决于与另一物种的生物的紧密相互作用(共生的一种形式):某些鱿鱼的发光器官在每一代中都与殖民化有关。通过发光细菌。免疫系统的成熟-我们防御微生物的能力-取决于细菌在出生时对我们消化道的定殖。

由同一物种内的社会互动引起的表观遗传修饰的另一个例子是蜜蜂。两个遗传上相同的蜂卵细胞会根据其外部环境(皇后发出的信息素的性质或工人提供的食物)以两种截然不同的方式发育:卵生下一个小工人,不育的,将存活两个月,或长大,肥沃的女王,将存活超过十年(长60倍!)。

最近已经显示出最大自然寿命的边界不像以前认为的那样僵硬。在非常不同的物种中-小型透明线虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans),果蝇(Drosophila)和小鼠-个体存活率可提高30%以上,并且衰老至少可通过两种方法延迟。第一种是修改单个等位基因,将其删除或添加副本。第二个涉及改变外部环境或生活方式-例如,通过减少饮食中的热量丰富。因此,在通常的环境中使用不同的基因,或在不同的环境中使用通常的基因组可以具有相同的效果:延缓衰老,使动物的幼龄更长。更改内部或外部具有相同的结果。

当遗传是一种幻想时

某些表观遗传变化可以从个体传给其后代。不管基因序列有何变化,不同的机制导致了这种“表观遗传”。植物已知的一种表观遗传遗传形式是2006年在小鼠中发现的:它像生殖遗传一样,通过生殖细胞,精子或卵子起作用。微-阿恩 父母的细胞-包括其生殖细胞-是由一系列 脱氧核糖核酸, 被转移到胚胎,即使没有这种序列的传播脱氧核糖核酸。放大机制导致这些微容器的再制造阿恩 在后代的所有细胞中(后者又将它们传递给他的后代)。这些微阿恩 阻止动物从其基因之一制造蛋白质。这是一系列的过去的烙印脱氧核糖核酸 它存在于一个祖先中,它没有被传播过,但经过几代人的努力继续间接地发挥其作用。

已经确定了完全不同形式的表观遗传。在这种情况下,变化的遗传传播不是由生物材料的传播引起的,而是由环境在后代中由类似环境已经引发的表观遗传修饰“重新初始化”引起的。祖先。例如,某些食物会产生这种影响:然后将烙印链接到该食物所在的地方。在其他情况下,社区本身会在后代中重新吸收其​​祖先留下的烙印。

让我们举个例子。在实验室中,我们获得了许多后代在基因上相同的小鼠或大鼠。两种遗传上不同的品系可以通过行为的差异来区分,这种行为代代相传。例如,在成年期,或多或少的焦虑程度-动物对环境的感知和反应方式-记忆力可变-动物记录其某些成分的方式的焦虑环境,并动员这种烙印-与大脑某些区域中激素受体的不同表达有关。

获得性角色的表观遗传“遗传”?

这些行为差异是由于脱氧核糖核酸 ?如果将具有焦虑行为遗传系的新生啮齿动物交给具有平静行为遗传系的代孕母亲,则该新生成年后将表现出行为-她的大脑中激素受体的表达-与她的养母相同,而不是她的遗传父母(见图4)。更令人惊讶的是:如果代孕母亲的新生儿是女性,那么她本人将生下后代,成年后将具有其祖母的行为和大脑特征。领养,而不是他们的遗传祖父母。

因此,显然存在获得性特征的遗传传递。如何解释这些令人惊讶的结果?在焦虑的动物中,母亲在出生后几天与新生儿的互动方式会对新生儿产生分子影响:在其大脑某些区域的细胞中,能够制造糖皮质激素(应激激素)受体的基因被甲基化,也就是说变得难以接近。另一方面,举止冷静的母亲照顾新生婴儿的方式导致该基因启动子的甲基化缺失,因此该基因仍可被脑细胞使用。因此,不管这两个血统之间存在遗传差异,新生儿的这种行为仅取决于出生后几天的环境。但是这些行为并不一定要一劳永逸地解决:在某些情况下,环境可以再次对其进行修改。

在某些小鼠系中,母体环境所产生的表观遗传效应甚至在出生前就已出现。新生儿将表现出其所采用的系的某些行为,而不是其遗传系的某些行为,只要它们以胚胎的形式被植入其代孕母亲的子宫中并且由这位母亲抚养了几天;然后,母亲既是代孕母亲又是养母。因此,普遍认为代孕母亲只是胚胎的媒介,对胚胎的发育没有影响-只有胚胎遗传的基因和出生后的环境才能计数。 -至少在动物中相当于幻觉。

在环境保持恒定的实验条件下,遗传多样性的后果可能会显现出来。但是,针对同一基因组,涉及改变环境的实验揭示了这些外部修饰的后果。还原论方法对于理解因果关系至关重要。另一方面,如果我们认为仅在特定条件下揭示的因果关系就可以归纳到沉浸在不断变化的环境中的复杂而单一的个体所发挥的所有因果关系,那么这可能会产生误导。

跨越国界与生物的进化

到目前为止,我们已经研究了与任何基因改造无关的环境影响。但是表观遗传修饰和遗传修饰之间的关系可能更复杂...

大多数细菌的基因都可以使它们产生重新排列细菌的酶。脱氧核糖核酸 随机产生一个新基因:如果细菌在这些剧变中幸存下来,它就会产生新蛋白质并被转化。细菌不会重新排列其细菌 脱氧核糖核酸 而不是应对不利环境。这种表观遗传反应称为 s取决于环境,细菌利用其基因的方式也会发生变化。但是这种表观遗传修饰本身会引起基因序列的变化。如果他们偶然使细菌在这种新环境中更好地生存,那么由此产生的遗传变异将传给其后代。因此,在几代人中可遗传的遗传新事物的出现速度,在细菌的生存过程中起着至关重要的作用,对于细菌而言,部分取决于细菌对环境变化的响应速度。

基因和表观遗传修饰之间的另一种耦合机制是在1998年果蝇中发现的。在这种生物中,外部温度的急剧而显着的变化会在胚胎发育期间引起人体结构的重大变化-例如,腿和翅膀的形状或数量发生变化,胚胎之间的差异。这些变化是由于先前存在的遗传多样性(等位基因的微小差异)的影响,其在蛋白质水平的表现被表观遗传机制代代相传。实际上,尽管它们的序列稍有不同,但由于它们与伴侣蛋白家族(即热激蛋白)的相互作用,蛋白质通常在所有胚胎中在空间中都采用相同的形状。 热休克蛋白 90.当温度突然变化时,分子伴侣 热休克蛋白 90离开他们通常的伴侣,使自己与温度已经扭曲的其他蛋白质结合:最初的伴侣随后采取新的构象,从而导致胚胎发育中的修饰。如果温度持续变化,这些“突变体”已经长大成人,并且大部分时间都可以生育,它们会像其他胚胎一样出生。当这些突变体彼此杂交时,由于自然选择的机制而积累的遗传差异仍未得到很好的分析。但是经过几代之后,突变体细胞产生的蛋白质与原始蛋白质差异如此之大,以至于伴侣分子不再能够掩盖这些变异。而且即使外界温度稳定下来,伴侣分子 热休克蛋白 90个恢复正常活动的突变体,在遗传上已变得不同,它们总是生出与它们相似且与第一代果蝇不同的突变体。在2002年,有人证明伴侣 热休克蛋白 90在植物中起类似作用。

这些发现动摇了关于生物进化过程中新物种出现的两种理论之间的古老争论。根据最忠实于达尔文理论的渐进论,新颖性只能从轻微的基因修饰的积累中逐渐出现。相反,有前途的怪物理论,然后是点点均衡理论,则相反地假设进化是突飞猛进。大约5亿年前的寒武纪时期的化石研究表明,新物种的迅速爆炸是支持第二种理论的论点之一。但是这种反对可能不是必须的。基因修饰的积累(通常是渐进的)与新物种的迅速出现是相容的,因为环境的突然变化可以在发育中的胚胎中突然揭示出一种储备-一种预先存在的新颖性-在前几代人中已经以离散的遗传突变形式逐渐积累。这些突变的作用,迄今被抑制,然后可以首次出现。

基因与环境之间的界限是模棱两可的,生物,基因与环境之间相互作用的多重性从一开始就塑造了每个生物的独特性。但是这些相互作用也可能在更长的时间内促进了进化-新物种的出现-从而用查尔斯·达尔文的话逐渐催生了“形式的无限多样性”。最美丽,最精彩”。

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

订阅并访问超过20年的档案!

订阅优惠

12期+ 4期特刊
纸质+数字版

+无限访问超过20年的档案

我订阅

我们的最新出版物

回到顶部

已经有帐号了?

身份证明

标识自己可以访问您的内容

看到

还没有帐户 ?

注册

注册以激活您的订阅或订单问题。

创建我的账户