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【中国科学报】抗压能力,只来自妈妈的“馈赠”

2021-08-05 中国科学报 冯丽妃
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线虫的共聚焦显微成像图片。田烨供图

  大眼睛、高鼻梁、高智力、长寿……众所周知,生物遗传会对后代的很多特征产生影响。

  那么,生物对环境压力产生的适应性应激反应也会遗传吗?近日,中科院遗传与发育生物学研究所田烨课题组以封面论文形式在线发表于《自然-细胞生物学》的研究给出的答案是:会。

  “创新”“重要”“有趣”,三位审稿人对这项研究如是评价。在新研究中,作者发现一种全新的跨代遗传现象——神经元线粒体的应激记忆可通过线粒体DNA(mtDNA)水平升高来遗传。它赋予了后代更强的抗压能力以及更长的寿命。不过,这样的遗传优势也会让后代付出“代价”。

  全新跨代遗传现象

  俗话说,“龙生龙,凤生凤,老鼠的儿子会打洞”。遗传与环境共同作用,决定着个体的发育、生殖、衰老和行为等诸多特征。

  “在受到环境压力胁迫时,生物体会产生适应性的应激反应。”论文通讯作者田烨在接受《中国科学报》采访时说,长久以来,生物学家一直非常关注的科学问题是,生物体所产生的这些应激反应是否可以直接传递给后代。

  “这样的应激反应可以让后代在尚未直接经历上一辈的环境胁迫时,就获得某些性状,使他们能够更好地应对预期的环境变化和压力胁迫。”她解释说。

  作为神经系统最基本的结构和功能单位,神经元就像围绕中心点(细胞体)多向伸展的树突一样,具有联络和整合输入信息并传出信息的作用。线粒体作为细胞的“动力室”,是制造能量的结构和细胞进行有氧呼吸的主要场所。神经细胞要工作,就需要线粒体供应能量。

  在研究中,田烨报道了一个全新的跨代遗传现象——神经元的线粒体应激通过神经到生殖腺的信号交流,诱导后代个体携带更高拷贝的mtDNA,进而导致机体激活线粒体未折叠蛋白反应(UPRmt)。这一跨代遗传赋予了后代更强的抗压能力以及更长的寿命。

  “观察神经元应激的遗传效应非常重要,作者提出的模型也很有趣。”一位审稿人评价。

  神经元线粒体应激遗传来自谁

  当新生儿出生后,很多人经常会对孩子像爸爸还是像妈妈“争论不休”。对于神经元线粒体应激遗传带来的“馈赠”,这一点没商量:一定是来自妈妈。

  “线粒体都是母系遗传,父代则不会。”田烨透露,此次的研究始于偶然观察到的现象——线虫神经元的线粒体因环境压力而“受损”,诱导机体产生适应性应激反应UPRmt,并可在后代中代代相传。

  “有趣的是,这篇论文报道了携带大量mtDNA的线粒体可以在线虫母系中代代相传,而不会被纠正。”一位审稿人写道,“同样有趣的是,这种跨代线粒体DNA的升高首先是由神经元应激引起的。”

  通过进一步探索,作者发现具有跨代UPRmt效应的线虫携带了更高拷贝的mtDNA,且在线虫不同的发育阶段、分离的线虫生殖腺和卵母细胞中,都检测到mtDNA水平的显著升高。

  “组成线粒体电子传递链的蛋白复合体由线粒体和细胞核DNA共同编码,分别在线粒体内或细胞质中合成,然后在线粒体中组装而成。”论文第一作者、田烨课题组博士生张茜向《中国科学报》解释,这两个来源的蛋白之间的平衡对于线粒体电子呼吸链复合体的组装和线粒体功能尤其重要。

  她表示,后代中mtDNA拷贝数的升高,会引起线粒体内蛋白质稳态的失衡,表现为氧化磷酸化复合体的组装效率下降,线粒体呼吸能力下调,三磷酸腺苷产生减少。因此,虽然后代并未直接经历上一代的神经线粒体损伤,但是因为获得了更多的mtDNA拷贝数而导致线粒体稳态失衡,诱导产生UPRmt。

  接受馈赠也有“代价”

  那么,母代因环境压力发生的神经线粒体损伤,在诱导后代携带更多mtDNA拷贝数,激活UPRmt后,为何会赋予后代益处呢?

  早在2018年发表于《细胞》的一项研究中,田烨课题组就发现UPRmt可以细胞非自主的方式在多个组织中触发,以响应线粒体功能障碍。“不同组织间的线粒体应激存在信息交流的能力,最终能更好地保护生物体免受局部线粒体挑战。”张茜说。

  该研究还发现,Wnt信号通路是诱导UPRmt的充分必要条件。生物利用Wnt信号将线粒体应激信号从神经系统传播到周围组织。此次新研究则发现,该信号通路还参与调控神经—生殖腺的线粒体应激信号交流。

  结果,继承了较高水平的mtDNA以及随之产生的UPRmt使得后代具有更强的抗逆能力,包括耐热、抗病原菌感染以及抗百草枯毒素(急性线粒体损伤)的处理,而且获得了更长的寿命。“但作为代价,这些后代发育迟缓,且生殖力下降。”田烨说。

  她表示,当没有环境压力选择时,携带更高拷贝mtDNA的后代在群体中的比例将会很快下降并逐渐消失;但当遇到类似祖辈经历的压力胁迫时,这些后代会展现出更强的生存和竞争力。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41556-021-00724-8

  (原载于《中国科学报》 2021-08-05 第1版 要闻)
打印 责任编辑:张芳丹

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