細菌竟能向後代傳遞神奇“記憶”，咋做到的

細菌具有非凡的能力，能夠“記住”自身及其周圍環境的短暫、臨時性變化，並且這些記憶具有遺傳性。

有趣的是，儘管這些變化未在細菌細胞的遺傳物質中進行編碼，但細胞依然能夠將這些變化的記憶傳遞給後代，且能持續多代。

這一發現對長期以來有關即使是最簡單的生物體如何傳遞和遺傳物理特徵的假設提出了挑戰，並且可能給醫學應用帶來重大影響。

例如，研究人員或許能夠通過巧妙地改變病原菌，讓其後代在幾代之內更易於接受治療，以此來對抗抗生素耐藥性。

“細菌生物學的一個核心假設爲，可遺傳的物理特徵主要由 DNA 決定。然而，從複雜系統的角度來講，我們知曉信息也能夠存儲在基因之間的調節關係網絡層面，”西北大學的科學家、資深作者阿迪爾森·莫特解釋道。

據莫特所言，該團隊想要探究細菌記憶是否並非通過 DNA，而是通過調節網絡本身由親代傳遞給子代。

“我們發現，基因調節的臨時性變化能夠在網絡內留下持久性的變化，而後傳遞給後代，”莫特說道。

“換句話說，其父母所受變化產生的迴響在調控網絡中持續存在，而 DNA 保持不變。”

莫特是西北大學溫伯格藝術與科學學院的查爾斯·E 和艾瑪·H·莫里森物理學教授，同時也是網絡動力學中心的主任，他與他實驗室的博士後研究員托馬斯·懷托克和研究生易昭共同撰寫了這項研究。

這項研究是與德克薩斯大學西南醫學中心的系統生物學家金伯利·雷諾茲合作進行的。

自 20 世紀 50 年代確定遺傳密碼的分子基礎以來，科學家們普遍認爲，特徵主要（即便不是完全）通過 DNA 來傳遞。

然而，自 2001 年人類基因組計劃完成以來，研究人員已經開始重新考慮這一假設。

懷托克指出，二戰期間荷蘭發生的饑荒是人類潛在非遺傳遺傳的一個著名實例。

最近的一項研究表明，在子宮內經歷過饑荒的男性的子女成年後更有可能超重。然而，要確切找出人類這種非遺傳遺傳的原因已被證明是困難的。

“在複雜的生物體中，理清諸如倖存者偏差之類的混雜因素具有挑戰性。但在最簡單的單細胞生物中，我們可以控制環境並檢查它們的遺傳學，從而更有效地找出原因，”莫特解釋道。

“如果在這種情況下我們觀察到某些東西，我們可以將非遺傳遺傳的起源歸因於有限的幾種可能性，特別是基因調控的變化。”

基因調控網絡類似於基因相互影響所使用的通信網絡。研究團隊假設，僅這個網絡可能是將特徵傳遞給後代的關鍵。

爲了驗證這一假設，莫特和他的團隊研究了大腸桿菌（E. coli），這是一種常見的細菌，也是一種成熟的模式生物。

“在大腸桿菌中，整個生物體是一個單細胞，”懷托克解釋道。“它的基因比人類細胞少得多，大約有 4000 個，而人類細胞有 20000 個。它也缺乏在酵母中有助於 DNA 組織的細胞內結構以及高等生物中的各種細胞類型。因爲大腸桿菌研究得很透徹，所以我們對其基因調控網絡的組織有很多瞭解。”

研究團隊藉助調控網絡的數學模型，對大腸桿菌中單個基因的暫時失活與重新激活進行了模擬。

這些短暫的干擾可能導致持久的變化，且這種變化極有可能遺傳多代。

目前，該團隊正着力通過實驗室實驗來驗證這些模擬結果。實驗採用了一種CRISPR的變體，此變體能暫時使基因失活，而非永久性改變它們。

研究人員對這些在調控網絡而非 DNA 中編碼的變化如何能在代際間傳遞表示質疑。

當一個基因失活時，它會影響網絡裡的相鄰基因。當第一個基因重新激活時，一個自我維持的級聯反應就已經開始了，一旦被激活，便會形成能抵禦外部影響的迴路。

“這是一種網絡現象，”複雜系統動態行爲專家莫特說。“基因相互作用。如果你擾動一個基因，它就會影響其他基因。”

儘管當下的實驗重點在於使基因失活，不過莫特指出，其他類型的擾動或許會產生類似的效果。

“我們還可以改變細胞的環境，”他說。“例如，可能是溫度、營養物質的可用性或 pH 值水平。”

該研究表明，其他生物也可能具有非遺傳的遺傳性。

“在生物學中，假設任何東西都是普遍的都是危險的，”莫特警告說。“但是，憑直覺來講，我預計這種效應是常見的，因爲大腸桿菌的調節網絡和其他生物中的相比，要麼類似，要麼更簡單。”

該研究發表在《科學進展》雜誌上。