상속 된 학습? 발생하지만 어떻게 불확실한 지

가장 최근에, 일부 연구자들은 일부 배운 행동과 생리적 반응조차도 후성적으로 상속 될 수 있다는 증거를 발견했습니다. 새로운 연구 중 어느 것도 체세포 조직에서 학습 또는 획득 한 정보가 생식선에 통합되어 어떻게 통합되는지 정확하게 다루지 않습니다. 그러나 작은 RNA 분자와 호르몬 의사 소통의 형태를 중심으로하는 메커니즘이 적극적으로 조사되고 있습니다.

케임브리지 대학교의 후성 유전학 연구원 인 니콜라스 버튼 (Nicholas Burton)은 이메일로“주요한 탁월한 질문은 이러한 [후성 상속] 효과가 발생하는지 여부가 아니라 이러한 변화가 발생하는 메커니즘은 무엇입니까? “이 주제에 대한 논쟁이 여전히 남아 있으며,이 토론은 아직 한동안 계속 될 것이라고 생각합니다. 무엇이 오는지 보는 것은 매우 흥미로울 것입니다.”

후성 유전 상속에 대한 진화론 적“왜”는 또한 역설적이기 때문에 적극적인 조사 영역이기도합니다. 학습 된 적응 행동을 다음 세대에 전달할 수 있다면, 이는 게놈에 대한 특정 표준 진화 변화에 대한 필요성을 제거하는 것처럼 보입니다. 반면에, 후성적으로 전달 된 특성이 적응 적이라면, 더 안정적으로 물려받을 수 있도록 게놈으로 딱딱 해지지 않는 이유는 무엇입니까?

세대 장벽 위반

Lamarckian 상속 이론에 대한 죽음의 knell은 1892 년에 발표 된 독일의 진화 생물 학자 August Weismann의 작품에 의해 부분적으로 들렸다. 그는 환경에 노출 된 특성은 복잡한 유기체의 체세포 (신체) 세포에서 계란과 정자를 담당하는 생식선 조직으로 전달할 수 없다고 주장했다. Weismann Barrier로 알려진이 원칙은 빠르게 유전학의 주류가되었습니다.

그러나 1950 년대에 식물 학자 Royal Alexander Brink는 다른 환경 조건에서 동일한 게놈을 가진 옥수수 식물이 다른 색상의 커널을 발현했으며 이러한 색상은 유전 적이라는 것을 발견했습니다. 그것은 후성 유전 상속에 대한 첫 번째 증거 중 일부였습니다. 그 이후로, 후성 유전 적 상속에 대한 다양한 가능한 메커니즘이있는 것처럼 명확한 유전 적 근거가없는 상속의 더 많은 예가 밝혀졌다. 전형적으로, 이들 메커니즘은 염색체를 구성하는 "염색질"에서 단백질 및 DNA의 화학적 변형 또는 DNA와 상호 작용하고 유전자 조절에 영향을 미치는 생식 세포로 전달되는 소분자의 화학적 변형을 포함 하였다.

그럼에도 불구하고 신경계의 변화에 ​​의해 암호화 된 학습 된 행동이 부모에서 자손으로 생물학적으로 전염 될 수 있는지는 확실하지 않았습니다. 연구원들은이 질문을 신중한 회의론으로, 아마도 부분적으로는 부문 (평면)과 관련된 1960 년대의 잘 알려진 공인 연구 때문일 것입니다. 연구원 제임스 맥코넬 (James McConnell)은 털충류를 훈련시키기 위해 미로를 탐색했다. 그런 다음 동물을 접지하여 새로운 펀치 세트에 공급하여 미로를 더 빨리 배웠습니다. 이 결과는 복제하기 어려운 것으로 판명되었으며 나중에 실험 설계가 좋지 않은 인공물로 기각되었습니다. 그러나이 질문은 여전히 ​​과학자들의 괴물이었다.

텔 아비브 대학교 (Tel Aviv University)의 신경 생물학자인 상속과 진화를 연구하는 텔 아비브 대학교 (Tel Aviv University)의 ODED Rechavi는“신경계가 유전 적 반응을 일으킬 가능성은 특히 흥미 롭습니다. 신경계는 환경에 대한 정보를 구성하는 능력이 매우 독특한 시스템이기 때문에 상속 및 진화를 연구하는 텔 아비브 대학교의 신경 생물학자인 ODED Rechavi는 말했습니다. "그것은 계획의 독특한 능력을 가지고 있습니다."

RECHAVI는 지난 몇 개월 동안 소규모 비 코딩 RNA (펩티드의 생산 이외의 기능을 제공하는 RNA 분자)를 지적하는 일련의 연구의 배후에있는 과학자 중 하나입니다. . 아마도 아직 알려지지 않은 다른 메커니즘은 아마도 벌레와 더 복잡한 유기체에서 상속 된 학습의 다른 사례를 지배 할 수 있습니다. 실제로 일부 과학자들은 작은 비 코딩 RNA가 현상에서 특이한 중요한 역할을한다는 데 동의하지 않습니다. 그리고 일반적으로 연구원들은 후성 유전학이 새로운 세대로 구체적이고 적응적인 특성을 전달할 수 있다는 주장에 접근하는 데 신중합니다.

뉴런에서 유전 적 작은 RNA

거의 10 년 전 컬럼비아 대학교 (Columbia University)의 박사후 연구원으로서 레 하비는 c를 보여 주었다. 엘레 간스 바이러스에 감염된 벌레는 바이러스를 표적화하고 중화시킨 작은 RNA를 생성하여 스스로 방어 할 것입니다. 더욱이, 라운드 벌레의 후속 자손은 바이러스에 노출 된 적이 없지만 이러한 작은 보호 RNA를 만들었습니다. Cell 에 발표 된이 연구 2011 년에는 스트레스가 적응 적 반응에 도움이되는 작은 RNA의 생산을 유도 할 수 있으며 이러한 RNA가 유전 적 이었다는 것을 보여주었습니다. 그는 또한 작은 RNA의 상속이 메신저 RNA 주형에서 이들 RNA를 복제 할 수있는 특정 효소 (RNA- 의존적 RNA 폴리머 라제)에 의존한다는 것을 보여 주었다.

그의 최신 연구에서 Cell 의 6 월 13 호에 출판되었습니다. , Rechavi는 학습 된 행동의 상속을 조사했다 :화학 주성, 식품 공급원으로 향하고 이동하는 능력. 그는 신경 세포에서 구체적으로 만들어진 작은 RNA가 어떻게 든 생식선과 의사 소통하고 유전 적 행동 반응을 생성 할 수 있는지 알고 싶었습니다.

알아 내기 위해 Rechavi와 그의 동료들은 유전자가없는 돌연변이 웜을 설계했습니다. rde-4 , 작은 RNA의 합성 및 화학 주성에 모두 필요합니다. 작은 RNA가 없으면 rde-4 웜은 약간 높은 온도와 같은 가벼운 스트레스를 받으면 음식을 냄새 맡을 수 없습니다.

그런 다음 연구원들은 돌연변이 웜의 신경 세포에서만 누락 된 유전자를 복원했습니다. 이 절차는 웜의 음식을 찾는 능력을 복원했습니다. 추가 연구는 웜의 화학 주성이 주로 특정 유전자의 효과를 음소거 한 소위 소형 간섭 RNA (siRNA)에 의존하는 것으로 판단했다. , 뉴런에서.

연구원들은이 행동이 분자 수준에서 어떻게 제어되는지 이해하려고 노력했습니다. 그들은 병원체의 이중 가닥 RNA가 벌레의 반응을 유발한다는 사실을 발견했습니다.이 결과는 프린스턴 대학교의 랜스 파슨스 (Lance Parsons)와 더 조사하고 7 월 11 일에 게시 된 바이오 렉스 프리 프린트에서 묘사된다는 사실을 발견했습니다.

병원체에 노출 된 벌레에서, 그들은 유전자의 발현의 변화를 감지했다, daf-7 , 회피 행동에 필요한 특정 뉴런에서 ASI라고 불리는. Murphy는 또한 Piwi-interacting RNA (piRNA)라고 불리는 것을 포함하여 생식선의 작은 RNA에서“엄청난 변화”를 발견했다고 말했다. 이름에서 알 수 있듯이 Pirnas는 piwi 과 상호 작용합니다 줄기 세포 분화를 조절하는 데 도움이되는 유전자.

무어, 칼레 스키, 머피 그러나이 회피 행동을 그들의 자손에게 전달하지 마십시오. 따라서, PIRNA 경로는 행동의 상속에 중요하다. Murphy는“그래서 우리는 Pirna 통로에 대해 흥분하는 이유입니다.

Sarkies는 이러한 발견이 c의 호기심을 설명하는 데 도움이 될 수 있다고 생각합니다. 엘레 간스 환경에서 이중 가닥 RNA를 가져 와서 내인성 유전자를 침묵시키는 데 사용합니다. 수년 동안 유전 학자들은이 벌레의 특성을 이용해 왔습니다. 유전자와 일치하는 이중 RNA를 합성함으로써 연구자들은 그것을 침묵시키고 그것이하는 일을 연구 할 수 있습니다.

그러나 왜 벌레 가이 능력을 갖는가는 신비했습니다. Sarkies는“과학자들의 삶을 쉽게하기 위해 진화하지 않았으며, 우리는 그것이 어떤 생태 학적 역할을 할 수 있는지 실제로 이해하지 못한다”고 말했다. “머피 랩 (Murphy Lab)의 연구에 대해 원칙적으로 흥미로운 점은 이것이 이것이 c의 방식 일 수 있다고 제안한다는 것입니다. 엘레 간스 병원성 박테리아에 적응할 수 있습니다.” 가설 적으로, 벌레가 환경에서 박테리아에서 이중 가닥 RNA를 차지하면 분자는 일부 벌레의 유전자를 침묵시키고 적응 적 반응을 유도 할 수 있습니다. 그러면 이러한 적응은 다음 세대에 전달 될 수 있습니다.

분야의 대부분은 여전히 ​​회의론으로 그러한 추측에 접근합니다. 스위스 연방 기술 인스티튜트 취리히 (취리히)의 신경 에피 게 니트 (Isabelle Mansuy)는 인간과 생쥐의 외상 상속을 연구하는 취리히 대학교 (University of Zurich)의 신경 에피 게 니트 (Isabelle Mansuy)는“오늘날에는 작은 RNA 만 후성 유전 상속에 관여한다는 것을 보여주는 단 하나의 단단한 종이가 없다고 생각한다. 그녀가 함께 일하는 마우스 모델에서, 그녀는 작은 RNA가 수정 된 마우스 알에 작은 RNA를 단독으로 주입하면 생성 된 동물은 RNA 관련 특성을 나타내지 않기 때문에 충분하지 않다는 것을 알고 있습니다.

Mansuy는 다수의 요인이 후성 유전 상속에 다양한 방식으로 기여할 수 있으며, 그 중요성은 특성이나 행동에 따라 다를 수 있다고 생각합니다. “사람들은 종종 문제를 단순화하고 그것이 DNA 메틸화 또는 마이크로노라라고 생각하는 것을 좋아합니다. 나는 그렇게 생각하는 것이 완전히 오도된다고 생각합니다.”라고 그녀는 말했습니다. "사람들은 하나 또는 다른 요인들을 함께 무시해서는 안됩니다."

그녀는 오류가 후성 유전 상속에 관한 문헌에 오류가 발생했으며, 일부 발견은 자신보다 더 결정적인 것처럼 보이게한다고 덧붙였다. 예를 들어, 일부 검토 기사는 Mansuy가 수정란에 마이크로 RNA를 주입하면 생쥐의 행동 증상의 상속을 유발하기에 충분하다는 것을 보여 주었다. 그녀는“우리는 이것을 보여주지 않았다”고 강조했다. 검토 기사의 저자는 종종 원래 결과를 확인하기 위해 돌아 가지 않기 때문에 검토가 인용되면 오류를 영속시키는 "자동 피드 시스템"을 만듭니다. 그녀는“현장을 오염시키고있다”고 말했다. 이제 많은 사람들이 RNA 후성 유전 상속에 대해서만 일하고 있으며 그것이 잘 확립되어 있다고 생각하기 때문에 덧붙였다.

신뢰할 수없는 결과는 때때로 유명한 저널에 나타났습니다. 결과적으로, 그녀는 분야 전체가 보이는 것보다 얇은 얼음에있을 수 있다고 주장한다. "엄격한 부족은 오해의 소지가있는 생각과 인식으로 이어질 수 있습니다."라고 그녀는 경고했다.

작은 RNA는 모든 것을하지 않습니다

Mansuy의 회의론의 검증은 elife 의 최근 연구에서 찾을 수 있습니다. 과일 파리의 후성 유전 상속. Giovanni Bosco와 Dartmouth College의 그의 동료들은 과일 파리에서 배운 적응 행동이 후성적으로 상속 될 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 작은 RNA는이 행동을 전달하기에 충분하지 않습니다.

Drosophila에서 , 기생성 말벌로 자란 성인 암컷은 에탄올을 함유 한 음식에 알을 낳는 법을 배웁니다. 이 계란 층 선호도는 어머니 자신이 에탄올에 노출되지 않은 경우에도 발생합니다. Bosco는 강조했습니다. "말벌에 대한 노출은 여성들이 어떻게 딸이 계란을 후성적으로 재 프로그래밍하여 딸 들이이 행동을 취하기 위해 충분한 일을하기에 충분했습니다."

에탄올에 계란을 선호하는 것은 5 세대 동안 지속됩니다. 그의 대학원생 줄리아나 보 슬러 (Julianna Bozler)와 발린 카코 (Balint Kacsoh) (현재 펜실베이니아 대학교 (University of Pennsylvania)의 박사후과)는 작은 RNA 가이 행동의 상속에 관여했다고 가정했다. 이 아이디어를 테스트하기 위해, 그들은 플라이 유전학의 기발한 것을 사용하여 동일한 부모로부터 온 한 쌍의 염색체로 파리를 만듭니다 (일반적으로 부모는 각 쌍에 기여합니다). Bosco의 팀은 어머니의 계란 세포질의 작은 RNA가 학습 ​​된 행동을 상속하기에 충분하다면, 자손은 아버지로부터 두 쌍의 염색체를 모두 받더라도 유전 적 행동을 나타내야한다고 추론했다.

일련의 실험에서, Bozler, Kacsoh 및 Bosco는 어머니로부터의 작은 비 코딩 RNA가 세대 사이에 행동을 전달하기에 충분하지 않다는 것을 보여 주었다. 염색체 3에서 아직 미확인 된 후성 유전 적 변형도 필수적이었다. 그들은 현재이 후성 유전 학적 변화의 본질을 조사하고 있습니다.

보스코에게 큰 문제는 다음과 같습니다. 이것을 알아 내면“플러드 게이트를 열어 물어볼 것입니다. 뇌는 생식선에 무엇을하고 있습니까? 우리의인지 적 경험과 환경 노출은 무엇입니까? 계란이나 정자의 후생에 영향을 미칩니 까?”

Bosco는 대부분의 사람들은 물이나 음식의 독성 화학 물질에 노출되어 생식선과 상호 작용하여 생식 세포의 후성 유전 학적 상태를 변화시킬 수 있다는 것을 받아들이는 데 아무런 문제가 없을 것이라고

Bosco는“내가 제안한 것은 우리의 두뇌가 우리의 약국이라는 것입니다. "우리의 뇌는 항상 화학 물질을 만들고있다"고 신경 펩티드 및 다양한 기능을 가진 다른 신경 조절 분자와 같은. 이러한 기능 중 일부는 생식계를 포함한 다른 기관의 프로세스에 직접적으로 영향을 미칩니다. "계란이나 정자의 후성을 변화시키는 환경에서 화학 물질을 섭취 할 수 있다면 왜 우리 뇌가 같은 일을하는 비슷한 분자를 만들 수 없었습니까?" 그는 말했다.

케임브리지에서 Burton은 신경계의 정보가 생식선으로 전염 될 수있는 방법 중 하나 이상을 확인했습니다. 2017 년 Nature Cell Biology 종이, 그와 그의 동료들은 c. 엘레 간스 삼투 스트레스라는 상태를 유도하기 위해 높은 수준의 소금으로. 그들은 웜의 뇌가 후성 유전 학적 변화를 유도하는 방식으로 난자 세포 (난 모세포)를 변화시키는 인슐린 유사 펩티드를 분비함으로써 반응했다는 것을 발견했다. 난 모세포에서 유전자 발현의 결과적인 변화는 자손에게 더 많은 글리세롤을 생산하여 삼투 스트레스로부터 보호합니다.

Burton은“적응력이있는 생식 세포에 영향을 미치는 뉴런 신호가 있습니다.

Mansuy는 생쥐에서의 초기 외상이 수명에 걸쳐 동물에 영향을 미치는 스트레스 호르몬의 방출로 이어지고 우울하거나 위험 감수 행동, 대사 조절 조절 및 기타 건강 문제를 일으킨다는 것을 발견했습니다. 또한 발달하는 생식 세포에 영향을 미쳐서 최대 5 세대까지 자손에 동일한 행동과 대사 변화를 유발합니다. 이전에, Mansuy는 과일 파리에서 충분하지 않은 것처럼 작은 RNA가 마우스에서 이러한 표현형을 전달하기에 충분하지 않다는 것을 발견했습니다. 다른 일이 일어나고있었습니다.

최근 Biorxiv.org에 게시 된 Preprint에서 그녀와 그녀의 동료들은 외상을 입은 생쥐의 혈액을 대조 마우스에 주입함으로써 유사한 대사 증상을 유발할 수 있다고보고합니다. 주사 된 혈액은 또한 자손이 대사 이상을 물려 받았기 때문에 마우스의 생식 세포에 영향을 미치는 것처럼 보였습니다.

연구자들은 대사 효과를 수용체 분자에 결합하고 핵으로 이동하고 특정 표적화 된 유전자의 전사를 활성화시키는 데 도움이되는 지방산으로 전달되는 신호 전달 분자 중 일부를 확인했다. 수용체는 생식 세포에도 존재하므로 정보가 혈액과 생식 세포 사이에서 이동하는 방법 중 하나 일 수 있다고 Mansuy는 제안합니다.

적응으로서의 가소성

이 분야의 뛰어난 질문 중 하나는 후성 유전 적 상속이 소수의 세대를 위해서만 지속 된 후 멈추는 이유라고 하버드 의과 대학의 후성 유전 학자 인 에릭 그리어 (Eric Greer)는 c에서 수명과 비옥 한 후성 유도를 연구하는 보스턴 어린이 병원 (Boston Children 's Hospital)이 말했다. 엘레 간스 . 효과가 한 세대에서 다음 세대까지 동일한 크기로 지속되고 갑자기 사라지기 때문에 부분적으로 규제 프로세스 인 것으로 보입니다. 또한, Cell 에 출판 된 논문에서 2016 년, Rechavi와 동료들은 전용 세포 기계 및 후성 유전 적으로 상속 된 반응의 지속 시간을 제어하는 ​​특정 유전자를 설명했습니다. Rechavi는“이것은 많은 중요한 기능을 제공하는 진화 된 메커니즘입니다.

그러나 그것에 대해 정확히 적응하는 것은 무엇입니까? 반응이 적응 적이라면, 게놈으로 하드 와이어를 휘두르면 영구적이고 안정적으로 상속 될 수 있습니까?

머피의 c. 엘레 간스 모델은 학습 된 회피 행동이 일시적이기 때문에 (세대가 적용 되더라도)“동물은 영양가 있지만 병원체와 같은 냄새가 나는 박테리아를 먹을 수 있습니다. 음식과 적의 차이를 스니핑하는 것은 어려울 수 있으므로 병원균을 영구적으로 피하는 벌레는 영양가있는 음식 공급원을 놓칠 것입니다.

Greer는 일반적으로 적응 형 응답을 영구적으로 배포하는 데 드는 비용이있을 수 있다고 동의합니다. 예를 들어, 병원체가 없을 때 항 바이러스 방어를 배치하는 것은 성장과 재생산에 사용할 수있는 자원 낭비입니다.

트레이드 오프는 또한 다른 적응을 제한 할 수 있습니다. Burton의 2017 년 연구에서 벌레는 p에 노출되었습니다. Aeruginosa 병원체에 내성이있는 자손을 생산했지만, 그 적응은 삼투 스트레스와 같은 다른 도전에 반응하는 자손의 능력에 해로운 것이었다. 다른 스트레스에 대한 적응 사이의 피할 수없는 트레이드 오프는 벌레가 전반적으로 최적으로 적응하는 것을 불가능하게 만듭니다.

“이 시나리오에서는 유전학에 딱딱한 용기를 원하지 않을 것입니다. 적응을 프로그래밍 할 수있는이 가소성을 원할뿐만 아니라 제거 할 수 있습니다.”라고 Burton은 설명했습니다. Rechavi와 그의 동료들이 Biorxiv.org의 새로운 전제 인쇄에서보고 한 바와 같이, 스트레스가 초기 소형 -RNA 상속을 재설정하는 것처럼 보이는 이유를 설명 할 수 있습니다.

Burton은 부모와 자손 사이의 불일치 스트레스를 조사하기위한 작업이 거의 없었지만 많은 문헌은 이러한 불일치 스트레스가 인간 질병에 중요한 역할을 할 수 있다고 제안합니다. "나는 기계적으로 그것을 바라 보는 것이 정말 흥미로울 것이라고 생각합니다."

2019 년 10 월 16 일에 추가되었습니다 : Murphy의 실험실에서 설명 된 작업이 Rechavi의 실험과 관련이 없음을 명확히하기 위해 한 문장의 시작이 다시 게시되었습니다.