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表观遗传学时代

生物学皇冠上璀璨的明珠

生命的《时间简史》，以非基因视角解读生命

何谓表观遗传学？

为何基因序列不变而遗传性改变？

解读非基因遗传的表达——长寿、衰老、肿瘤！

20世纪，全世界的生物学家，包括遗传学家、细胞生物学家、分子生物学家、生物化学家……几乎都是围绕着“DNA-RNA-蛋白质”这一中心法则开展研究工作。在具有里程碑意义的一天，2000年6月26日，当科学家向全球宣布完成了人类基因组测序时，大家都认为生物学、遗传学和医学等学科的研究工作，基本可以进入收官阶段。

但是，当DNA编码的基因序列被科学家破译后，仍有许多问题困扰着我们。譬如：人体内所有细胞的基因组都一样，为何会出现执行不同功能的器官？为何基因组一致的同卵双胞胎，在某些方面的基因表达却完全不同？为何儿童期甚至胚胎期受到的刺激，会导致影响人一生的后果？干细胞可分化为人体的各种组织细胞，称为医学治疗的未来，但为何只有干细胞被寄予厚望，与它的基因组完全相同的其他细胞则不行？

所有这些问题都指向一个答案，在基因组编码规则之上，还有一双看不见的调控之手，它可以使具有完全相同基因编码序列的细胞或个体表现出截然不同的性质——表观遗传。

表观遗传学有可能会颠覆我们对地球上生物结构和行为的理解。它深入浅出地描述了为什么仅用遗传密码理论不足以解释一个生物体如何进化与发育的行为，以及大自然和营养物如何共同作用以形成生物多样性的问题。本书通过纵观表观遗传学领域二十多年的研究发展，以突出研究成果和创新点的方式，对表观遗传学的基础知识进行了易于理解的介绍。

本书以实例为据，对现代生物学中革命性的表观遗传学进行了抽丝剥茧般的解读，将超微观、抽象、严谨的内容用平易近人的方式娓娓道来。本书的科学性和新颖性奠定了它在遗传学界的重要地位，它将引领现代生物学迈向更新的高度，它将颠覆人类对生命、健康、长寿、疾病的传统认知和理解，堪称生命的《时间简史》。

内容简介

《遗传的革命》对遗传学领域中具革命性的表观遗传学进行了抽丝剥茧般的讲解。用例子为引导，将教科书般严谨的内容用平易近人的方式娓娓道来。本书的科学性和新颖性奠定了其在遗传学界的重要地位，可作为生物学、医学和遗传学等学科的学生及科研人员拓展知识的学习材料。

《遗传的革命》，全书共分16章。第1章：丑陋的蟾蜍和优雅的男人；第2章：我们如何学会把球推上山；第3章：我们以前所了解的生命；第4章：我们现在所了解的生命；第5章：为何同卵双胞胎会不完全一样；第6章：父亲们的原罪；第7章：生殖游戏；第8章：性别战争；第9章：X染色体的后代；第10章：信使不代表全部；第11章：与内部的敌人战斗；第12章：全在头脑中；第13章：走下斜坡；第14章：女王万岁；第15章：绿色革命；第16章：前方的路。

《遗传的革命》重点研究了非编码DNA，表观遗传修饰，如基因甲基化、乙酰化等是如何影响人类遗传的；通过荷兰饥饿冬天事件、小鼠实验、蜜蜂雌雄遗传、果蝇突变，分析了与人类相关的肥胖、衰老、癌症等诸多问题；提出表观遗传用药可与基因治疗互补，更好地保护人类身体健康。

作者简介

《遗传的革命》由英国人内莎?凯里编写。内莎.凯里为英国伦敦帝国学院客座教授，毕生研究生物技术和药学，从事表观遗传学研究近二十年。

精彩书评

“任何一位对我们是谁以及如何运作真正感兴趣的人都应该读读这本书。”

——彼得.福布斯(Peter Forbes)

《卫报》(The Guardian)

“内莎.凯里将我们带上了一段关于表观遗传机制及其与衰老和肿瘤之间关系的生动而新的知识之旅。”

——劳伦斯.赫斯特(Laurence Hurst)

《巴斯大学杂志》(University of Bath Focus Magazine)

“内莎.凯里的书结合了教材般的严谨和轻松的风格……这是一个将表观遗传学展现给大众的大胆尝试。”

——乔纳森.韦茨曼(Jonathan Weitzman)

《自然》(Nature)

“凯里关于快速发展的表观遗传学研究的报告，可以帮助到公共政策、投资和卫生保健决策领域里的大众。”

——《书目杂志》(Booklist)

“该书对一个令人兴奋的新领域进行了令人振奋的探索，是生物学专业学生在职业选择时的好礼物。”

——《柯克斯书评》(Kirkus Reviews)

“本书对科学家在过去十年间在表观遗传学领域所取得的成就进行了颇有深意的介绍。”

——卡尔.齐默(Carl Zimmer)

《华尔街日报》(The Wall Street Journal)

“该书对一个迷人的新领域进行了完美的展示，该领域可能会彻底改变我们对人类健康和疾病的认识。强烈推荐。”

——《图书馆期刊》(Library Journal)

“对每一位想要知道现代科学有何进展的聪明人来说，这是一本必读的好书。”

——格雷厄姆.斯托尔斯(Graham Storrs)

《纽约书籍杂志》(New York Journal of Books)

“她对现代生物学中一个迷人且快速发展的领域进行了极好的，而且近乎精确的描述。”

——乔纳森.霍奇金(Jonathan Hodgkin)

《泰晤士报文学副刊》(Times Literary Supplement)

“通过使用日常比喻来阐述复杂概念和严格定义的图表这种引人入胜的写作方式，笔者以其机智和专业知识著就了一本优秀的图书。”

——丽塔.霍茨(Rita Hoots)

《美国国家科学教师协会推荐》(NSTA Recommends)

目录

000 □致谢

000 □前言

000 □ 第1章 丑陋的蟾蜍和优雅的男人

000 □ 第2章 我们如何学会把球推上山

000 □ 第3章 我们以前所了解的生命

000 □ 第4章 我们现在所了解的生命

000 □ 第5章 为何同卵双胞胎会不完全一样

000 □ 第6章 父亲们的原罪

000 □ 第7章 生殖游戏

000 □ 第8章 性别战争

000 □ 第9章 X染色体的后代

000 □ 第10章 信使不代表全部

000 □ 第11章 与内部的敌人战斗

000 □ 第12章 全在头脑中

000 □ 第13章 走下斜坡

000 □ 第14章 女王万岁

000 □ 第15章 绿色革命

000 □ 第16章 前方的路

000 □词汇表

第25章 被征服的德国：1945年5—8月

跋：反思勒热夫之战

注释

精彩书摘

革遗命传 关于命名的注释

基因和蛋白质的名字都按照国际惯例进行书写。

基因名称和标记用斜体。由基因编码的蛋白质都写成正常格式。

人类基因和蛋白质的标记都用大写。对于其他物种，如小鼠，标记通常只将第一个字母大写。

下表是一个例子。

表0.1 《遗传的革命》基因与蛋白质的书写规定

人类 其它物种，如小鼠

基因名 SO DAMNED COMPLICATED So Dammed Complicated

基因标记 SDC Sdc

蛋白质名 SO DAMNED COMPLICATED So Dammed Complicated

蛋白质标记 SDC Sdc

跟所有的规则一样，系统里面总会有些例外。同样，在这本书里面我们也会碰到一些。

前言/序言

自孟德尔遗传定律被重新发现，诞生了经典遗传学。之后的一个世纪，围绕着基因的本质，基因如何决定表型的核心问题，产生了以中心法则为主线的分子生物学和基因组学。但生命世界充满了奥秘，基因并不决定一切，许多现象不能用基因决定表型的遗传学理论来解释。生物体从基因型到表型之间存在着复杂和精细的调控机制，这就是表观遗传学（Epigenetics）的研究范畴。如果说，基因组DNA序列包含了编码生灵万物的遗传密码，那么，表观遗传就决定了在个体发育及与环境生存互动过程中，如何使用遗传密码，产生不同的基因表达谱和表现型，以更好地适应环境变化。

《遗传的革命》是英国作家内莎?凯里撰写的一本有关表观遗传学的科普著作，由贾乙和王亚菲翻译，推荐给中国读者。书中对表观遗传学的孕育、建立、发展的叙述，没有采用板着脸，严肃说教的方式，而是探索人们熟知的生物现象背后的科学问题，进行生动有趣的剖析。读者不但从中获得了新知识，也体验了阅读的乐趣，体会到科学研究的魅力。

一本好的科学读物，给予读者的不是一堆机械、生涩的科学概念，而是来自对生命世界问题的科学思考和探索，是一个承载历史而又面向未来的、能动的科学学科体系。在这方面，《遗传的革命》能帮助读者在更深的层次和更广阔的背景上理解表观遗传学。本书对从事生命科学的同志和医学学生有极大帮助。为此，我希望与大家分享这本好书。

——白云，教授，博士生导师，

中国人民解放军第三军医大学遗传学教研室主任

前 言

革遗命传 DNA

有时候，当我们阅读生物学书籍时，会不由自主地认为“生物学”这三个字能够解释一切。例如，当2000年6月26日研究者宣布人类基因组测序全部完成时，人们做出的反应如下。

“我们今天正在学习上帝创造生命所用的语言。”

——美国总统，比尔?克林顿（Bill Clinton）

“我们如今有希望达成医学方面任何曾有过的期望。”

——英国科学部长，塞恩斯伯里勋爵（Lord Sainsbury）

“我认为成功绘制人类基因组图谱甚至比实现人类登月更伟大。这不仅是我们这个时代的杰出成就，更是人类历史上浓墨重彩的一笔。”

——迈克尔?德克斯特（Michael Dexter），

威康信托基金会（The Wellcome Trust）

听着以上和其他类似的话语，你会有一种感觉，那就是在2000年6月以后，研究者应该可以放松一下了，因为关系到人类健康和疾病的大部分问题应该都可以简单地从基因图谱中得到答案。毕竟，我们已经掌握了人类的蓝图。我们现在所需要做的就是好好地理解这本说明书，然后再加上一些细节而已。

不幸的是，这些语句的论断都为时过早了。事实远没有那么简单。

我们一般把DNA（脱氧核糖核酸）作为一套模板进行理解，就像是工厂里生产汽车部件的模具一样。在工厂里，金属或塑料被上千次注入同一个模具里，于是，只要没有故障发生，会产出上千个一模一样的汽车部件。

但DNA并不是这样的。与其说它是模具，倒不如说像一个剧本。举个例子，想想《罗密欧与朱丽叶》（Romeo and Juliet）吧，1936年乔治?丘克（George Cukor）导演了莱斯利?霍华德（Leslie Howard）和诺玛?希勒（Norma Shearer）主演的该剧的电影版。60年后，巴兹?鲁曼（Baz Luhrmann）则拍摄了由莱昂纳多?迪卡普里奥（Leonardo DiCaprio）和克莱尔?丹尼斯（Claire Danes）主演的另一部电影。这两版电影都是采用的莎士比亚（Shakespeare）的剧本，但两者看起来截然不同。相同的起点，不同的结果。

而这正是细胞阅读DNA中基因编码时所发生的事情。完全相同的剧本产出了不同的产物。这个事实对人类健康有着广泛的影响，如同我们稍后看到的案例研究一样。在这些案例中，请牢牢记住一点，这些人的DNA蓝图没有发生任何变化。他们的DNA并没有变化（突变），他们生命历程的改变是源于环境的影响。

奥黛丽?赫本是20世纪最伟大的电影明星之一。时尚、优雅并拥有一副可爱的精致到几乎脆弱的骨架，她在《蒂凡尼的早餐》（Breakfast at Tiffany’s）中塑造的霍莉?戈莱特丽（Holly Golightly）的形象让她深入人心，甚至那些从来没有看过这部电影的人都有所耳闻。可令人吃惊的是，这个完美的美女却是由一个可怕的困境创造出来的。奥黛丽?赫本是第二次世界大战中荷兰饥饿冬天（Dutch Hunger Winter）事件的幸存者。该事件在她十六岁的时候结束，但其后遗症，包括身体的不健康状态，在她的余生一直困扰着她。

荷兰饥饿冬天，从1944年11月一直持续到1945年春天。这段时间西欧出现了严寒，使经过4年战争摧残的人民更加难以生活。而处于西方的荷兰因为正处于德国控制下而处境更糟。德国实行的粮食封锁导致荷兰人民口粮的严重不足。人们每天摄入的热量仅能达到每日正常需求量的30%。人们靠吃草和郁金香球茎充饥，并烧掉了能找到的每样家具来取暖，在绝望中苦苦求生。截止1945年5月恢复食品供应时，已有超过20 000人丧生。

而这段可怕的匮乏时期也创造了一个了不起的科学研究案例。荷兰幸存者的定义很明确，就是群体内所有人都在完全相同的时间里遭遇过一段时期营养不良的人群。因为荷兰拥有优秀的医疗基础设施和医疗记录保存能力，流行病学家得以据此对饥荒造成的长期影响进行跟踪调查。而他们的研究结果是完全出乎意料的。

其中他们研究的第一个问题就是那个可怕的饥荒对当时已经在子宫内发育的儿童的出生体重的影响。结果显示，如果母亲在孕期一直营养良好，而仅仅在最后的几个月营养不良的话，她的孩子在出生时很可能体重偏低。而另一方面，如果母亲只在怀孕的头三个月营养不良（因为胎儿刚好出现在这个恐怖事件快结束时），但随后孕妇被精心喂养，那么她的宝宝很可能拥有一个正常体重。胎儿“追赶上”了正常的体重。

这一切似乎理所应当，并没什么稀奇，因为我们都知道胎儿大部分的体重是在怀孕最后几个月获得的。当流行病学家跟踪研究了这些群体的婴儿几十年后，他们有了令人惊讶的发现。那些出生就瘦小的婴儿一直保持着他们的瘦弱，其群体的肥胖率比一般人群显著降低。经过了40年或者更多的岁月后，这些人已经能够随意获取食物，但他们的身体却从没有跨越过原来营养不良的范畴。为什么会这样？这些早期的生活经历是如何持续影响这些人达几十年的？为什么即使生活环境恢复正常，这些人仍不能够回归正常呢？

还有更令人吃惊的，那些母亲在怀孕早期经历饥荒后出生的孩子的肥胖率居然高于正常人群。而最近的报告还表明，这些孩子的其他健康问题发生率也较高，包括某些心理方面。尽管这些人出生时看起来似乎是完全健康的，但在母亲的子宫中肯定发生过什么，而这，影响了他们以后几十年的生活。而且值得注意的并不是这个影响存在的事实，而是这个影响发生的时间。试想一下，一件发生在胎儿发育头三个月的事情（而当时的胎儿还非常小），居然会影响一个人的余生，这真是不可想象。

更离谱的是，其中一些效应似乎延续到了这个群体的子代，也就是那些母亲在怀孕期前三个月遭遇营养不良后生出的女儿的下一代。所以，那件怀孕中发生的事情甚至影响了他们孩子的孩子。这就提出了一个让人百思不得其解的问题，这些影响是如何传递给后代的呢？

让我们先听听另一故事。精神分裂症是一种可怕的心理疾病，如果不及时治疗，可以完全摧毁罹患的人。患者会出现一系列症状，包括妄想、幻觉和难以集中精神。患有精神分裂症的人可能会变得无法区分“现实世界”和自己的幻觉构建的妄想世界。他们会失去正常的认知、情感和社会反应。很多人认为患有精神分裂症的人可能是暴力和危险的，但这绝对是可怕的误解。其实对于大多数患者来说事实并不是人们认为的那样，因为患这种疾病的人最容易伤害的其实是他们自己。患有精神分裂症的人自杀的几率比正常人要高50倍。

可悲的是，精神分裂症并不罕见。它在大多数国家和文化中的发病率一般在0.5%到1%之间，也就是说，目前可能有超过5 000万的人正在经受这种疾病的摧残。科学家们很早就知道这种病有很强的遗传倾向。我们知道这一点是因为如果一对同卵双胞胎中的一个患有精神分裂症，那么他们的双胞胎有50%的可能性也患该病。这个比例可比一般人群中的1％的风险高多了。

同卵双胞胎有着完全一致的基因组。而且他们还共享一样的子宫，通常情况下成长的环境也相似。所以我们对于同卵双胞胎中的一个得了精神分裂症而另外一个患病几率也非常高的事实并不惊讶。事实上，我们反而想知道为什么另一个的患病几率不是100%呢？为什么看起来完全相同的人居然会变得如此不同？一个人得了毁灭性的精神疾病，但他的同卵双胞胎是否也患病呢？掷个硬币吧——正面得病，背面不得病。环境的改变似乎不是决定因素，即使它是，这些环境因素又如何将两个具有完全一样的基因组的人变得如此不同呢？

下面是第三个案例。一个不到3岁的小孩经常被父母忽视和虐待。于是国家进行了干预并将其带离亲生父母，安置给寄养或领养父母。这些新的监护人非常地爱和珍惜这个孩子，并尽一切所能给他创造一个安全而充满感情的家。这孩子跟新的父母一起度过了整个童年和青春期，并长大成人。

也许这个人随后的发展都很顺利。他长大后成为一个快乐的、稳定的、跟那些在童年时期没受过虐待的正常同龄人没有区别的人。但现实往往是残酷的。事实上，那些早年遭受虐待或忽视的儿童长大成年后的精神健康问题比一般人群要高很多。这些孩子长大后经常会出现抑郁、自残、吸毒和自杀行为。

再一次，我们不得不问我们自己为什么。为什么要抹去幼儿时期受到的忽视或者虐待的影响会这么难？为什么那些发生在生命早期的阴影在数十年后仍具有显著的影响？在一些案例中，这些成年人完全没有再回忆过当年的创伤性事件，但他们在余生中依然遭受着精神和情感上的折磨。

这三个案例研究从表面上看截然不同。第一个是关于营养的问题，尤其是胎儿的营养。第二个是关于同卵双胞胎出现不同表现的问题。第三个则是关于儿童期虐待导致的长期心理损伤。

但在非常基础的生物学水平上，三者是有联系的。这些都是表观遗传学的实例。表观遗传学是生物学领域具有革命性的新学科。两个基因型完全相同的个体表现出的一些可以被我们衡量的不同表现型，就是表观遗传学。当很久以前发生的环境变化在长时间后仍对个体产生显著的生物学后续作用时，我们看到的就是表观遗传学效应。

我们身边每天都可以看到表观遗传学的现象。就像上面描述的案例一样，多年来科学家们已经确定了很多表观遗传学的例子。当科学家们谈论表观遗传学时，他们指的是所有那些单纯用遗传密码不能解释的现象——肯定还有其他什么东西在起作用。

下面是表观遗传学的一种科学描述，基因完全相同的个体间出现截然不同的表现的情况。当然，这种基因脚本和最终产出之间的不匹配不会无缘无故地发生，一定有什么机制在起作用。这些表观遗传学效应，肯定是源自某种物理变化基础的，而这些变化就发 遗传的革命 电子书 下载 mobi epub pdf txt

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