根据最近的一项研究，细菌细胞具有“记忆”环境和自身结构短期变化的能力。有趣的是，这些临时的变化并未记录在DNA中，但这些记忆仍然会在几代人中传递给后代。来自西北大学和德克萨斯大学西南医学中心的最新研究表明，细菌细胞可以“记住”其身体和周围环境的短暂变化。
尽管这些适应性变化并没有编码在细胞的遗传物质中，但细胞却可以将这些记忆传递给后代。
这一发现不仅质疑了传统的观念，即即使是最简单的生物体也是如何传递物理特征的，同时也为创新医疗发展提供了潜力。例如，科学家可以战略性地改变一种有害细菌，以使其后代在多个世代中更容易对抗生素产生敏感性。
这项研究将于周三（8月28日）在《科学进展》杂志上发表。
“细菌生物学中的一个关键信念是可遗传的物理特征主要由DNA决定，”来自西北大学的研究负责人阿迪尔森·莫特尔（Adilson Motter）表示。“然而，从复杂系统的角度来看，我们了解到信息也可以通过基因之间的相互联系来保存。我们想研究这些特征是否可以在没有编码于DNA中，而是通过调控网络本身从父母传递给后代。我们的研究结果表明，基因调控的暂时变化可以在网络中留下永久性印记，继承给后代。换句话说，影响父代的变化所带来的影响在调控网络中持续存在，而遗传物质保持不变。”
莫特尔担任西北大学温伯格艺术与科学学院的查尔斯·E·和艾玛·H·莫里森物理教授，以及网络动力学中心的主任。本研究的其他主要作者包括来自莫特尔实验室的博士后研究员托马斯·维托克（Thomas Wytock）和研究生赵怡（Yi Zhao），以及来自德克萨斯大学西南医学中心的金伯莉·雷诺兹（Kimberly Reynolds）。
来自模式生物的见解
自20世纪50年代发现遗传密码的分子基础以来，广泛接受的观点是特征主要通过DNA传递。然而，在2001年人类基因组计划完成后，研究人员重新评估了这一观点。
维托克提到二战期间荷兰饥荒作为一个重要案例，指出人类中可能存在可遗传的非遗传特征。一项最近的研究表明，在子宫内经历过饥荒的男性的孩子，成年后更可能出现超重。然而，确定这种人类非遗传遗传的最终原因被证明是困难的。
“对于复杂有机体，发现真正原因受到存活偏差等因素的影响很复杂，”莫特尔解释道。“但对于较简单的单细胞生物，我们可以更容易地操纵其环境并进行遗传研究。如果我们在这里观察到非遗传继承，我们可以将其与有限的原因联系起来，特别是基因调控的变化。”
调节网络作为一种通信通道，使基因能够相互影响。研究团队假设，该网络对于将特征传递给下一代至关重要。为了探索这一想法，他们研究了大肠杆菌（Escherichia coli），这一被广泛研究的细菌及标准模式生物。
“ E. coli 是一种单细胞生物，”维托克指出。“它的基因数量远少于人类细胞——大约有4000个基因，而人类则有20000个基因。它还缺乏帮助维持DNA在酵母和更复杂生物中组织的细胞内结构。由于 E. coli 是一个经过充分研究的模式生物，我们对其基因调控网络有很好的理解。”
暂时的压力导致持久的变化
研究团队采用了调控网络的数学模型来模拟 E. coli中特定基因的临时关闭（及随后重启）。他们发现，这些短期变化可能导致持久变化，预计将在各代中继承。他们目前正通过实验室实验验证他们的模拟，使用修改版的CRISPR暂时使基因失活，而不是永久改变它们。
然而，团队质疑细胞如何将这些调控网络的变化传递给后代，如果这些变化不是DNA的一部分。他们建议，这些可逆的变化在调控网络中引发了一种不可逆的链式反应。当一个基因被关闭时，它随后会影响其邻近的基因。一旦第一个基因再次启动，级联效应已经在进行中，因为基因在激活后可以形成自我维持的电路，抵抗外部变化。
“这是一个网络现象，”莫特尔评论道，强调了他在复杂系统动力学方面的专业知识。“基因彼此相互作用。如果一个基因被干扰，它会影响其他基因。”
尽管他的团队正通过使基因失活来测试这一假设，但莫特尔指出，不同类型的干扰可能会产生类似的结果。“我们也可以改变细胞的环境，”他说，强调温度、营养可用性或pH水平等因素。
这项研究暗示其他生物体也可能表现出非遗传继承的元素。“在生物学中，假设普遍性是有风险的，”莫特尔评论道。“但直观上，我相信这种效应是广泛存在的，因为 E. coli 的调控网络与其他生物的相似或更简单。”
题为“细菌调控网络中的不可逆性”的研究获得了国家科学基金会的资助（拨款编号 MCB-2206974）。
