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饶毅:《表观遗传学》教科书和表观遗传学界的常见错误

16年写 现公开 
 
由Allis和Reinberg等四位表观遗传学专家主编的《表观遗传学》第二版于2015年由冷泉港出版社出版,全书共984页,从2007年第一版到现在的第二版,它一直是表观遗传学领域的权威教科书,对想了解表观遗传的外行、新入门的学生或者从事表观遗传领域研究的科研人员都很有帮助。
 
 
因为要参加表观遗传学的讨论,我从头到尾翻了一遍这本教科书,发现几个问题: 1)它未正确介绍表观遗传英文单词的来源,恐怕是其相关作者并不清楚科学史; 2)它对发育生物学中“细胞命运”的概念在理解上有相当大的错误;3)这本书把表观遗传与发育问题(如细胞重编程)联系得太紧密,这样,一方面过度强调了其与重编程因子的关系,把转录因子的作用说成好像是表观遗传的作用,另一方面也许会导致读者(特别是学生读者)较少了解表观遗传参与的其它生物学功能。
 
第一点,有关表观遗传英文单词的来源,虽然英文单词的来源对于科学不是很重要,但对于一个领域的权威教科书有更正的必要,对于学生或者大众可能是有趣的知识点;第二点,是跨了分子生物与发育生物两个学科的问题,虽然要求擅长分子生物学(和生物化学)的表观遗传学专家都懂发育生物学也不切实际,但写书的时候出问题恐怕是将自己不清楚的概念进行简单宣扬;第三点,关于表观遗传学在热门时代如何选择研究的问题。
 
缘起
 
2016年5月2日,文化刊物《纽约客》发表医生兼科普作家Siddhartha Mukherjee介绍表观遗传学的文章《相同但不同》。这篇文章引起大批科学家反驳,认为夸大了表观遗传作用的同时忽略了转录因子的作用,后来作者于5月30日在《纽约客》发表声明,承认文章中的观点不够全面。
 
我在微信转发批评文章的时候,中国科学院生物物理所研究员、表观遗传专家朱冰老师留言反驳,哈佛大学的表观遗传学专家张毅也提出异议,另外还有其他反对意见,但是研究发育生物学的大多支持我的观点。刚开始是在微信上进行文字争论,后来演变成当面辩论,时间和场合是我提议的:在我主持的一门生物学研究生一年级课程的教室,这堂课有北大、清华、北京生命科学研究所约三百位研究生参加,而讨论科学问题对一年级研究生应该有益处。
 
参加表观遗传学讨论前一天,我翻看了《表观遗传学》这本书后,才知道科普作家Siddhartha Mukherjee发表于《纽约客》的文章中的错误观点来自这本专业教科书。
 
两千多年的历史:从Epigenesis到Epigenetics
 
Epigenetics(表观遗传学)来自epigenesis(后成)。这一演变有两千多年的历史,从胚胎发育到分子生物学,而且其中有两种不同意思重叠和更迭的时代。
 
最初,epigenesis是与preformation相对立的词。
 
关于动物的胚胎如何发育,曾有预成论(preformation)与后成论(epigenesis)的长期争论。预成论认为生殖细胞(卵细胞和精子)或受精卵从开始就已经形成了动物的各个部分,发育只是展开已有结构;而后成论认为受精卵并无成年的结构,只是在发育过程中逐渐形成。
 
希波克拉底(Hippocrates of Cos,公元前460-370)曾有类似预成论的观点:“胚胎中所有的结构都是同时形成。所有的肢体同时相互分开并生长,无一在其之前或之后,而是那些自然较大的出现于较小的之前,并非更早形成”(Needham,1959)。
 
亚里士多德(Aristotle,公元前384-322)将预成与后成作为解释胚胎发育的两种对立概念。在《动物形成》一书中,他写道:“要么所有身体部件(如心、肺、肝、眼及其它)皆同时形成或逐渐形成”。亚里士多德反对预成论:“前者不对是显而易见的,因为有些部件在胚胎已经清晰可见,而有些并非如此,且不是因为它们太小,比如肺比心大,但其发育出现晚于心……那么就很明显,虽然有些东西制造部件,但非确定的物体,也不在精子中完整存在”。他支持后成论:“原则上,自然界一件东西来源于另外一件潜在可以成为终产物的东西……”
 
后成论的支持者包括英国的哈维(William Harvey,1578-1657)、法国的笛卡尔(Rene Descartes,1596-1650)等,预成论的支持者包括意大利的Marcello Malpighi(1628-1694)、荷兰的列文胡克(Antonie van Leeuwenhoek,1632-1723)、德国的莱布尼茨(Gottfried Wilhelm von Leibniz,1646-1716)等。哈维在1651年称:卵中并无未来胚胎的任何部件,但潜在含有所有部件……有些部件先形成、有些后形成,都继续生长……这样我们称为后成(Needham,1959)。Malpighi于1673年再启争论,到18世纪预成论被认为是定论(Meyer,1931;Needham,1959)。荷兰显微镜专家Nicolaas Hartsoeker(1656-1725)设想,如果在显微镜下可以看到精子显示人体所有部分,可能的画面如图2。此图在被误认为是他的观察、而非其设想的情况下广为传播(Hill, 1985)。如果精子就有整个人体,那么发育不过是长大,而无需形成新的结构,甚至早先的人(比如传说的亚当或夏娃)应该含有所有现代人类的个体。当时预成论被广为接受,争论的焦点是预成于卵子还是精子。
 
德国的Caspar Friedrich Wolff(1733-1794)观察鸡胚发育,于1759年在“发生理论”的论文中重提后成论,并叙述鸡胚在原本匀质的表面逐渐形成血管,1768年在“小肠形成”一书中描述鸡胚的肠子从一片组织折叠形成,所以血管和小肠皆非预先形成,而是逐渐形成。Wolff的结果推翻了传统的预成论(Meyer,1931;Needham,1959)。
 
到了十九世纪,preformation和epigenesis实际演变成为胚胎发育的两种方式,取决于不同部分(或不同细胞)之间是否有相互作用,还是一个部分(或细胞)可以自分化、不依赖其他部分(或细胞)的作用。这方面,一批德国科学家起了重要作用,特别是Wilhelm Roux(1850-1924)和Hans Driesch(1867-1941)的争论以及他们的实验结果(Roux,1888),开创了实验胚胎学,是近代发育生物学的起源(Sander,1991; Hamburger,1997),Driesch的具体实验结论支持细胞相互作用很重要(Driesch,1892),从而也是支持后成论(epigenesis)。
 
英国科学家Conrad Waddington(1905-1975)曾与李约瑟夫妇合作研究胚胎发育(如Waddington, Needham , Needham,1933)。Waddington于1939年首次使用epigenotype(Waddington,1939)一词,1942年提出epigenetics(Waddington,1942)。他对epigenetics的定义是:“研究基因与其产物相互作用,导致表型产生的学科分枝”,定义很广。但他自己后来用epigenetics的时候基本是表示发育的意思,例如:他于1952年出版《鸡的epigenetics》一书,就是讲鸡的胚胎发育过程,而非遗传学。
 
1956年,Julian Huxley(赫胥黎的孙子之一)用“epigenetics”一词为Waddington写书评时也是将epigenetics理解为有关一般发育过程的科学。将epigenetics理解为发育,在发育生物学界至少延续到1985年,荷兰著名胚胎学家Nieuwkoop写的书在书名上继续将epigenetics作为发育的统称(Neiuwkoop, Johnen and Albers,1985)。
 
Epigenetics作为现代表观遗传修饰的来历
 
Epigenetics一词后来被用来强调遗传不仅取决于细胞核,还有其它细胞核以外因素起作用,后来被衍生成为强调DNA上核苷酸序列之外的遗传因素,才成为现在大家熟知的epigenetics代表的意思(Haig,2004)。
 
美国科学家Nanney是极力支持细胞核之外还有其它遗传因素的科学家之一(Nanney,1957)。他于1958年提出“遗传系统和表观遗传系统”概念,前者代表DNA,后者代表其它因素(Nanney,1958)。后来又强调表观遗传不同于一维线性模板复制机理的遗传信息(也是为了区别于当时理解的DNA复制模式)(Nanney,1959)。
 
著名分子遗传学家、1958年诺贝尔奖得主Joshua Lederberg(1925-2008)于1959年总结Nanney的说法时,区分了核酸序列和非核酸序列(epinucleic)的贡献。Harris于1964年提出表观遗传是调节遗传的机制(Harris,1964)。分子生物学家Holliday于1979年提出DNA甲基化是表观遗传(Holliday,1979)。1987年,他在《科学》发表的文章题目是“表观遗传缺陷的遗传”,指出胞嘧啶的甲基化是表观遗传修饰,还用了表观突变一词(Holliday,1987)。这篇文章可能与现在把表观遗传一词理解为DNA修饰等有很大关系(Haig,2004)。当然,现在我们知道不仅有DNA的甲基化和去甲基化,还有组蛋白的多种化学修饰。组蛋白由德国生化学家Albrecht Kossel (1853-1927)于1884年发现,虽然他于1910年获诺贝尔化学奖,但是组蛋白的生物学功能长期不清楚,直到后来才逐渐被研究清楚。1996年,Riggs确切地定义表观遗传为“非DNA序列变化导致的可遗传的基因功能变化”。
 
《表观遗传学》对表观遗传学一词起源的错误介绍
 
表观遗传学这一名词,与发育生物学和遗传学都有关系,但来源于发育生物学,但是后来意义发生改变。今天,表观遗传科学家的训练背景主要为生物化学和分子生物学,还有一些是化学。这种语义的改变历史可能不仅显得漫长而且不是很容易理解。
 
Allis等主编《表观遗传学》一书的第一章是Gary Felsenfeld写的“表观遗传简史”,其中对于表观遗传学epigenetics的前身epigenesis来源的叙述不对,对于epigenesis如何变成epigenetics不清楚,对于其中语义的转换没有梳理来龙去脉。书中称十九世纪末开始有预成论与后成论两派胚胎学家,首先把时间搞错了两千年,然后说预成论者认为每个细胞含有的预成元件在发育中扩大,而后成论者发育的过程需要可溶性组分继续化学反应。这种对预成论和后成论的介绍基本闻所未闻,尽管这不是完全空穴来风。
 
在第二十七章,Wolf Reik和Azim Surani的引言也不完整。他们把1651年Harvey提出动物整体来源于卵(everything comes from an egg)的论述当成后成论的证据,没有讲清概念的起源以及后来的其它证据。当然,这一章主要不是讲epigenetics的历史,情有可原。
 
表观遗传与细胞命运
 
《表观遗传学》一书对于细胞命运一词的运用也不准确。“cell fate”也是胚胎发育引出的概念,而且从来没有变过,现在仍然是发育生物学的概念。因为我在加州大学旧金山分校博士期间的研究生论文就是关于细胞命运,我研究生期间发表的文章都与细胞命运(细胞命运相关的基因分析)有关,所以对这一概念并不陌生。
 
德国早期胚胎学家Vogt的实验(Vogt,1923,1929)追踪早期胚胎细胞在发育过程中的变化,说明细胞命运是确定细胞类型(如:皮肤细胞、肝细胞、淋巴细胞、神经细胞等)的过程,当然这些细胞(如神经细胞)也有不同类型。如何从没有确定细胞类型的原始细胞变成类型确定的细胞,这一过程称为细胞命运决定(cell fate determination)。今天,我们可以将细胞类型扩大,比如没有定型的干细胞,也算一种类型,那么从特定类型的细胞(如纤维细胞)重新变成干细胞,也算细胞命运的确定,如此扩大的概念就包括现代所谓“重编程”的概念。另外,细胞死亡也可以算一种细胞命运,但这就比较广义了。
 
而在Allis等自己写的第三章中,图38把环境通过表观遗传改变细胞命运作为表观遗传很重要的两方面之一,与疾病并列,这种写法,估计是混淆了细胞命运与细胞状态。环境影响细胞命运不仅不能代表细胞的重要方面,而且很罕见,只在很少动物里面出现(如动物性别在不同温度或者湿度时会发生改变,这种变化过程含有细胞命运的改变)。这么罕见的现象,迄今却无人研究其表观遗传修饰。
 
表观遗传修饰是非常重要的发现,其作用首先在于调控DNA所携带遗传信息的表达。基因表达的最主要机器是RNA多聚酶(如哺乳动物的Pol II),如果用修路来比喻,多聚酶好比是推土机,而转录因子可以比喻为司机,挑选哪些基因被表达,那么表观遗传修饰目前看来有点像路障(有时是相反的作用)。在细胞命运确定的过程中,在很多生物都发现转录因子起非常重要的作用:必要、充分、有指导性(instructive)。而表观遗传因子虽然很重要,但重要性不如转录因子:a. 在一个胚胎细胞中,减去某个转录因子或者表观遗传因子,都可能影响细胞命运,但一般来说,缺乏特定的转录因子可以使得某种细胞不能形成(如缺乏MyoD家族的基因,胚胎不能形成肌肉细胞),缺乏表观遗传因子也可能影响细胞命运,但不是很特异;b. 在一个胚胎细胞中,导入特定转录因子(如MyoD),可以将这一细胞变成特定细胞(如肌肉细胞),而导入表观遗传因子,一般来说很少可以使细胞变成特定细胞;c. 转录因子对细胞命运确定有指导性作用(instructive),让细胞成为特定细胞,而表观遗传因子,大多数只是允许性(permissive)作用,并无特异性。以上是以MyoD和肌肉细胞为例(Davis, Weintraub, Lassar,1987),而发育过程有很多转录因子的例子,比如bicoid开始的几十个转录因子确定果蝇从头到尾每一种细胞的类型,也有Pax6这种确定器官的基因,剔除Pax6转录因子的果蝇形成的眼睛很小,而把Pax6放在果蝇腿上或翅膀上,可以在腿上和翅膀上形成眼睛(Halder,Callaerts and Gehring,1995)。表观遗传因子没有这么显著的作用。表观遗传因子中影响细胞命运很大的PcG和TrxG蛋白也只是转录辅助因子。
 
2006年,日本科学家山中伸弥发现同时过表达四个基因可以使分化的细胞诱导变成多能干细胞(iPSC),但这四个基因的表达产物都是转录因子,这说明转录因子对于重编程的重要性。改变表观遗传因子可能增加Yamanaka转录因子的重编程效率,但表观遗传因子本身并不能起到决定发生重编程的作用。
 
所以表观遗传因子常常只显示允许或辅助作用,而转录因子具有指导性作用。
 
可能因为多能干细胞重编程的研究在时间上与表观遗传研究成为热门研究有很大程度重叠,所以Allis等在《表观遗传学》一书中多次长篇讨论重编程,暗示重编程与表观遗传有特别关系。从科学上来看,这种关系似乎并不特别。表观遗传是基本的生物化学,调节基本的分子生物学过程,特别是基因表达,而与发育生物学、干细胞、免疫学、神经生物学可能普遍都有一些关系,而不是特定与某一方面关系最密切,至少迄今为止的研究结果不能说明这一点。
 
双胞胎与表观遗传
 
《表观遗传学》犯了一个表观遗传学家的常见错误,称双胞胎的差别是表观遗传所造成。这个错误我先听化学家说过,我没有更正,因为无需苛求化学家的生物背景,何况化学家可能是听生物学家说的。现在看到表观遗传学的教科书也犯这样的错误,我觉得有必要指出。
 
虽然同卵双生的两个人基因组序列几乎百分之百一样,但其发育过程出现些许差别,并不一定就是表观遗传所造成,这不是说表观遗传完全不参与,而是说也可以有经典遗传参与。基因组序列一样的细胞,从细菌到高等动物,完全可以表达不同的基因而出现不同表型,这是已知的。细菌没有表观修饰,但基因表达可以不同。高等动物相邻两个细胞DNA完全一样,但其中几个基因表达有差别,这种差别可以自我放大而找出相邻两个细胞不同。例如我在研究生阶段研究的前体细胞是形成神经母细胞还是表皮母细胞,对这一问题,一般认为两个相邻细胞的细胞膜蛋白质Notch和Delta的表达随机差异出现后被放大,它们进一步相互作用造成两个细胞中转录因子表达的不同而导致一个成为神经细胞,另一个成为表皮细胞。既然含相同基因的细胞可以表达不同基因而成为不同细胞,那么相同基因的人(或动物个体)当然也可以只因为转录因子表达不同而出现个体差异。而一个人出生后可能经历不同的环境,而环境可以不通过表观遗传机制导致基因表达和细胞的变化,双生子当然更可以不通过表观遗传而出现多方面的差别。
 
2016年11月30日
 
注:
 
本文有关预成论与后成论的文字来自1991年笔者的研究生论文和给北大生物一年级大学生的教材《生物学概念与途径》。
 
亚里士多德的书,笔者在1991年写论文的时候引用的是1910年译文,研究生毕业到哈佛做博士后时,在哈佛出版社的门市部购得哈佛1990年的英文版。
 
更多阅读:
 
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Allis CD, Caparros M-L, Jenuwein T, Reinberg D (2015) Epigenetics. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY.
 
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