表觀遺傳學(xué)：編程DNA的藝術(shù)

摘 要：動物的外觀不僅僅是由其遺傳物質(zhì)決定的，也是由其在生命早期所遭遇到的情況決定的。本文旨在聚焦這些所謂的“表觀效應(yīng)”。

關(guān)鍵詞：遺傳效應(yīng)；甲基化；一致性；有機(jī)硒

在過去20年里，生物學(xué)分析技術(shù)和實驗室自動化已取得了驚人的進(jìn)步。這些新穎的功能使得描繪出某一個個體的全部基因組成為可能。基因組分析和基因表達(dá)的可能也大大地擴(kuò)展了我們對遺傳學(xué)以及遺傳與營養(yǎng)和環(huán)境相互作用的了解。

個體早期發(fā)育上的一些相互作用可以在其整個生命中產(chǎn)生持久的影響（圖1）。

自然界中的一些事例表明，流向胎兒營養(yǎng)流的減少會影響其以后的生長。出生時個體較小的嬰兒在以后的生長中患糖尿病的風(fēng)險，會高于出生時個體較大的嬰兒。窩內(nèi)個體最小的仔豬發(fā)育成一流胴體質(zhì)量的機(jī)會很有限。因為，攜帶個體遺傳信息的基本系統(tǒng)——DNA序列在受精時就已形成。在早期發(fā)育過程中，必須存在能為其增加額外信息的非遺傳機(jī)制。

這種新增的信息被稱為“表觀遺傳效應(yīng)”。由于這些效應(yīng)會影響動物的健康和生產(chǎn)性能，了解它們的科學(xué)性是非常有意義的，而如何控制它們則具有社會和經(jīng)濟(jì)意義。

這些新的研究技術(shù)，能夠為深入了解這些相互作用，并有希望研發(fā)出能夠在未來克服和控制它們的技術(shù)，提供了極大的可能性。

根據(jù)豌豆雜交試驗，孟德爾揭示了遺傳信息是如何代代相傳的基本認(rèn)識。孟德爾指出，每一個個體的每個性狀都有兩個遺傳來源，分別來自其父本和母本。當(dāng)個體成熟并產(chǎn)生配子（即精子和卵子）時，遺傳信息會傳遞給下一代。

當(dāng)配子形成時，配對的等位基因隨機(jī)分離，從而使每一個配子擁有來自其父母的一個拷貝基因。1915年，當(dāng)孟德爾理論與托馬斯·亨特摩根（Thomas Hunt Morgan）的染色體學(xué)說進(jìn)行整合后，就形成了經(jīng)典遺傳學(xué)的核心。也就是在這些理論的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了雙鏈DNA的生物學(xué)結(jié)構(gòu)。

孟德爾指出，一個個體的外表或表型由其等位基因以及環(huán)境因素決定。然而，孟德爾和以他理論支撐的遺傳學(xué)界并沒有對一個重要事件進(jìn)行闡明，即早期生長中的環(huán)境影響能夠改變從DNA中讀取的遺傳信息的表達(dá)，以及如何被用于生長和新陳代謝，并且這種印記或編程效應(yīng)可以持續(xù)影響一生。因此，DNA蘊(yùn)含的信息，包括但并不限于受精時所形成的堿基對序列。例如：可以通過DNA的甲基化增加和保存其他信息。這一信息取決于動物在子宮和新生階段所獲得的營養(yǎng)和所處的環(huán)境條件。之后，甲基化作用會影響動物利用特定的基因（圖2）。

1 工蜂或蜂王

眾所周知，無論雌性蜜蜂變成工蜂還是蜂王，其在社會秩序中所處的地位并非取決于她的基因，而是取決于她是否有蜂王漿吃。食物的質(zhì)量和數(shù)量將導(dǎo)致蜜蜂出現(xiàn)體型大小和實力差異，這種概念似乎是符合邏輯的。事實上，女蜂王的體型比其他所有的工蜂要大得多。然而，不同的食物不僅僅會影響體型大小，而且也會導(dǎo)致生殖器官發(fā)育和其他形態(tài)出現(xiàn)差異。最近的一項研究發(fā)現(xiàn)蜂王漿含有一種Royalactin蛋白質(zhì)，它是形成工蜂和蜂王之間身體差異的真正原因。由此就提出了新的問題：有沒有適合雛雞或仔豬吃的“蜂王漿”？

科學(xué)家已對家禽的表觀遺傳機(jī)制進(jìn)行了大量的研究。有關(guān)環(huán)境控制機(jī)制和營養(yǎng)方面的研究都獲得了可喜的成果。在生命的頭3 d經(jīng)歷熱應(yīng)激的雛雞，在其以后的生命中能夠更好地適應(yīng)炎熱的天氣。同樣，研究表明肉雞進(jìn)行類似的處理后能更加有效地利用鈣和磷。

關(guān)于豬的表觀遺傳效應(yīng)研究主要集中在仔豬胎兒期的生長對其出生后生長發(fā)育的影響。子宮內(nèi)生長遲緩而導(dǎo)致初生重低下的仔豬會持續(xù)影響其出欄前的生長發(fā)育。Wu和他（或她）的同事在其《動物科學(xué)雜志》雜志上的一篇綜述中，總結(jié)了出生體重偏低對隨后生長影響的重要作用。偏低的初生重會顯著提高仔豬產(chǎn)前和產(chǎn)后的死亡率，并會加大組織器官功能發(fā)生障礙的風(fēng)險，同時會對生產(chǎn)性能和胴體質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面的影響（見附文1）。

一些研究表明，初生重偏低的仔豬無法克服出生后這種不利的生長。生長上長期的遲緩效應(yīng)會影響其一生的生長。初生重偏低的仔豬無法在出生后增加它們的肌肉纖維數(shù)量和肌肉生長速度，即使充分飼喂最終結(jié)果也一樣。由于表觀遺傳效應(yīng)，它們不能比同窩仔豬合成更多的蛋白質(zhì)，這可以解釋為什么它們沒有出現(xiàn)補(bǔ)償性生長的原因。在生長的后期，通常可以觀察到的是生長中的豬，能夠?qū)ο惹盃I養(yǎng)不良期的生長出現(xiàn)補(bǔ)償性的生長。

由于仔豬在胎兒階段的發(fā)育對肌纖維的發(fā)育具有持久的影響，觀察到仔豬在以后的生長階段中整個身體和肌肉的組成發(fā)生改變是不足為奇的。初生重偏低的仔豬擁有的肌肉較少，但胴體脂肪較多。同時，結(jié)締組織含量上也有差異——偏多。這也會影響肌肉的嫩度。母豬飼喂量不足會對其后代產(chǎn)生負(fù)面影響，然而妊娠第0天至第50天過度飼喂也會對其后代產(chǎn)生不良影響。這類母豬生產(chǎn)的仔豬在出生和屠宰時會有較多的脂肪組織，這再一次顯示了出生時觀察的某些作用，并一直影響豬的整個生長期。

2 均勻的窩產(chǎn)仔豬數(shù)

母豬子宮容量不足和妊娠期營養(yǎng)不良是影響胎兒生長的兩大主要因素。要想獲得均衡的窩產(chǎn)仔數(shù)必須從遺傳選育開始。一些育種方案利用了低初生重仔豬比率或窩內(nèi)仔豬初生重變異大等參數(shù)。

這些參數(shù)可以選出不能為仔豬提供平衡發(fā)展所需宮內(nèi)環(huán)境的母豬。對仔豬育成率的選擇也會使窩產(chǎn)仔數(shù)更加均衡。因為年齡較大的母豬更容易產(chǎn)出體重偏低的仔豬，所以高齡母豬的比例也取決于母豬群的年齡結(jié)構(gòu)。不同的研究表明，母豬哺乳期較大的失重會影響其卵巢的功能，從而影響卵泡的發(fā)育質(zhì)量。正因為卵泡質(zhì)量的不一致，導(dǎo)致胚胎發(fā)育的不均勻，進(jìn)而使窩產(chǎn)仔豬的個體不均衡。特別是在炎熱的夏季，更需要采取更多的措施來提高母豬的采食量和健康程度。哺乳期體況損失過多帶來的不良作用可在剛斷奶時得到部分糾正。事實證明，斷奶和再配種期間母豬每日額外喂給150 g葡萄糖，可提高窩產(chǎn)仔豬的一致性。

通過增加斷奶至配種間隔期的飼喂頻率或有規(guī)律地提供仔豬料也可獲得積極的效果。妊娠期間提高母豬日糧精中氨酸和谷氨酸這二種氨基酸的水平也可改善所產(chǎn)仔豬的均勻度。

然而，只要不提供這些氨基酸的純合態(tài)形式，那么通過重新調(diào)整飼料配方來提高仔豬均勻度的成功率是有限的。獲得發(fā)育良好胎兒另一個需考慮的因素是氧化保護(hù)。應(yīng)選用合適的抗氧化劑混合物作為每一個妊娠期日糧的選擇性干預(yù)策略。

原題名：Epigenetics： The art of programming DNA（英文）

原作者：Peter Spring博士（瑞士措利科芬伯爾尼應(yīng)用科技大學(xué)農(nóng)業(yè)學(xué)院）