《细胞》：打破百年生物学法则，记忆可以遗传给下一代，甚至可能跨越多代
许多人推测大脑活动可能以某种方式产生可遗传的变化，这将影响下一代的命运。然而，这一想法虽然具有吸引力，却挑战了生物学的基本法则之一，也被称为“生物学的第二定律”， “Weismann障碍”：生殖细胞中的遗传信息与躯体影响是分开的。因此，动物对环境的反应不应成为遗传。但是，在2019年6月7日，2篇Cell同时发表，挑战了这一法则，认为至少在线虫（C. elegans）这种模式生物中，记忆能够被遗传！而且，这样的遗传性可以维持3代到4代。
以色列特拉维夫大学Oded Rechavi团队在Cell 在线发表题为“Neuronal Small RNAs Control Behavior Transgenerationally”的研究论文，该研究发现秀丽隐杆线虫亲本的生物学反应可以传递可遗传的小RNA，其通过跨代方式调节基因表达。 神经元特异合成的小RNA调节生殖细胞的endo-siRNA和生殖细胞的基因表达，这可以维持多代。 此外，神经元中小RNA的产生通过生殖细胞Argonaute HRDE-1控制后代的趋化性行为至少三代。 在这些小RNA的靶标中，鉴定了保守基因saeg-2，其在生殖细胞中被隔代中下调。 因此，该研究提出了一种基于小RNA的机制，用于跨代传递神经元过程。
美国普林斯顿大学Coleen T. Murphy团队在Cell 在线发表题为“Piwi/PRG-1 Argonaute and TGF-β Mediate Transgenerational Learned Pathogenic Avoidance”的研究论文，该研究发现线虫不仅学会规避铜绿假单胞菌（PA14），而且通过感觉神经元中的生长因子β（TGF-β）信号传导和Piwi Argonaute小RNA途径，可以将这种规避行为传递给后代多达四代。病原学规避的跨代表观遗传可能允许蠕虫在复杂的环境中生存，提高它们在规避疾病的同时获得足够营养的能力。
在身体的不同组织中，神经系统收集和组织环境信息的能力是不一样的。自从古代以来，许多人推测大脑活动可能以某种方式产生可遗传的变化，这将影响下一代的命运。神经系统可以控制后代的可能性可能会产生深远的影响。
然而，这一想法虽然具有吸引力，却挑战了生物学的基本法则之一，也被称为“生物学的第二定律”， “Weismann障碍（1891年提出）”断言，生殖细胞中的遗传信息与躯体影响是分开的。因此，动物对环境的反应不应成为遗传。更具体地说，如果“Weismann障碍”确实是不可渗透的，那么神经元活动的不应该影响后代。尽管如此，许多研究表明父母的神经元反应会影响后代的行为。虽然这些例子是令人着迷的，但确切的机制仍然是未知的。
在线虫中，来自人工，外源供应的双链RNA（exo-siRNAs）从体细胞（包括神经元）转移到生殖细胞。隔代基因调控依赖于RNA依赖性RNA聚合酶（RdRPs）扩增可遗传的小RNA，这些小RNA结合Argonautes，如HRDE-1（可遗传的RNAi缺陷1）。环境挑战（例如，饥饿和高温）调节可遗传的小RNA库并产生持续多代的反应。
像许多其他生物一样，线虫在体细胞和生殖中自然地产生内源siRNA（endo-siRNA），其与基因组中的多个基因座互补配对。 Endo-siRNA靶向蛋白质编码和非蛋白质编码基因座，进而调控其表达。
文章总结
目前尚不清楚神经系统的活动是否可以遗传。 在该研究中，秀丽隐杆线虫亲本的生物学反应可以传递可遗传的小RNA，其通过跨代方式调节基因表达。 神经元特异合成的小RNA调节生殖细胞的endo-siRNA和生殖细胞的基因表达，这可以维持多代。
此外，神经元中小RNA的产生通过生殖细胞Argonaute HRDE-1控制后代的趋化性行为至少三代。 在这些小RNA的靶标中，鉴定了保守基因saeg-2，其在生殖细胞中被隔代中下调。 因此，该研究提出了一种基于小RNA的机制，用于跨代传递神经元过程。
植物和动物的生理和行为特征受环境的影响很大。响应于环境变化的可塑性可以通过表观遗传学来控制。值得注意的是，表观遗传变化及其对基因表达的后续影响不仅限于单个生物体的一生，而且还可以在称为跨代表观遗传（TEI）的现象中跨越多代传播。 TEI已经被证明可以在重复元素（如转座子）的沉默和细胞应激的生理反应中发挥作用，如饥饿和渗透压。尽管在描述TEI及其分子组成部分方面取得了进展，但是TEI是否能够传达编码动物行为的信息以及哪些表观遗传机制是这些行为的基础，则不太了解。
秀丽隐杆线虫已经成为研究TEI的首要生物体，因为它具有极短的生存周期，大量子代和进化保守的表观遗传机制，可编码和传递跨代信息。此外，线虫不提供母体护理，亲本的微生物组不会在实验室环境中转移到子代 - 这两个因素可能会混淆哺乳动物TEI的机制研究。
RNAi在二十多年前首次在秀丽隐杆线虫中发现，后来被发现在许多物种中具有功能保守性，包括哺乳动物。随后，观察到由双链RNA（dsRNA）诱导的基因沉默可以在秀丽隐杆线虫中遗传3-20 +代。
秀丽隐杆线虫栖息在多样的自然环境中，必须经常分辨营养和传染性细菌食物来源。事实上，~30％的秀丽隐杆线虫的天然微生物环境由假单胞菌属物种组成，其中一些是病原体。尽管铜绿假单胞菌（PA14）在接触后数小时或数天内杀死秀丽隐杆线虫，但最初，线虫被PA14吸引 - 事实上，它们更喜欢非致病性实验室大肠杆菌（OP50） - 但是，在接触后数小时内，他们学会避免这种病原体。
总结
在这里，研究人员发现线虫不仅学会规避铜绿假单胞菌（PA14），而且通过感觉神经元中的生长因子β（TGF-β）信号传导和Piwi Argonaute小RNA途径，也可以将这种规避行为传递给后代多达四代。继承TEI编码行为的蠕虫能够规避致病细菌，这为它们提供了生存优势。病原学规避的TEI可能允许蠕虫在复杂的环境中生存，提高它们在规避疾病的同时获得足够营养的能力。
作者：枫叶
编辑：朱颖婕
责任编辑：许琦敏
来源：转载自iNature