美国西北大学和德克萨斯大学西南分校的一项新研究发现，细菌细胞可以“记住”其身体和周围环境的短暂、暂时的变化。

并且，尽管这些变化没有被编码在细胞的基因中，但细胞仍然会将它们的记忆传递给它的后代——持续多代。

这一发现不仅挑战了长期以来关于最简单生物如何传递和继承身体特征的假设，而且还可用于新的医学应用。例如，研究人员可以通过巧妙地调整致病细菌，使其后代对治疗更敏感，从而绕过抗生素耐药性。

这项研究“细菌调控网络中的不可逆性”于8月28日发表在《科学进展》杂志上。

“细菌生物学的一个核心假设是，可遗传的物理特征主要由DNA决定，”该研究的资深作者、西北大学的阿迪尔森·莫特(AdilsonMotter)说。

“但是，从复杂系统的角度来看，我们知道信息也可以存储在基因之间的调控关系网络层面。我们想探索是否存在从父母传递给后代的特征，这些特征不是编码在DNA中，而是编码在调控网络本身中。

“我们发现，基因调控的暂时变化会在网络中留下持久的变化，并传递给后代。换句话说，影响父母的变化的回声在调控网络中持续存在，而DNA保持不变。”

莫特是西北大学温伯格文理学院的查尔斯·E和艾玛·H·莫里森物理学教授，也是网络动力学中心主任。这项研究的共同第一作者是博士后研究员托马斯·维托克和研究生赵毅，他们都是莫特实验室的成员。

该研究还涉及与德克萨斯大学西南医学中心系统生物学家金伯利雷诺兹的合作。

向模型生物学习

自从研究人员在20世纪50年代首次发现遗传密码的分子基础以来，他们就认为性状主要(如果不是唯一的话)通过DNA传递。然而，在2001年人类基因组计划完成后，研究人员重新审视了这一假设。

维托克引用了二战时期荷兰饥荒这一著名例子，指出人类可能存在可遗传的非基因特征。最近的一项研究表明，在子宫内遭受饥荒的男性所生的孩子成年后更容易超重。但要找出人类这种非基因遗传的根本原因却颇具挑战性。

莫特说：“对于复杂生物来说，挑战在于解开幸存者偏差等混杂因素。”

“但也许我们可以分离出最简单的单细胞生物的致病原因，因为我们可以控制它们的环境并研究它们的遗传学。如果我们在这种情况下观察到一些东西，我们可以将非遗传遗传的起源归因于有限的可能性——特别是基因调控的变化。”

调控网络类似于基因用来相互影响的通信网络。研究小组假设，仅凭这个网络就可以掌握将特征传递给后代的关键。为了探索这一假设，莫特和他的团队转向了大肠杆菌(E.coli)，这是一种常见的细菌，也是研究得比较透彻的模型生物。

“就大肠杆菌而言，整个生物体就是一个单细胞，”怀托克说。

“它的基因比人类细胞少很多，大约只有4,000个基因，而人类细胞有20,000个。它还缺乏已知的细胞内结构，而这些结构是酵母中DNA组织的持久性和高等生物中细胞类型的多样性的基础。由于大肠杆菌是一种研究透彻的模型生物，我们对基因调控网络的组织结构有了一定程度的了解。”

可逆应力，不可逆变化

研究小组使用调控网络的数学模型来模拟大肠杆菌中单个基因的暂时失活(以及随后的重新激活)。

他们发现这些短暂的扰动可以产生持久的变化，预计这些变化将遗传给多代人。该团队目前正在实验室实验中验证他们的模拟结果，使用CRISPR的一种变体暂时而不是永久地停用基因。

但如果这些变化是编码在调控网络而不是DNA中，研究小组就会质疑细胞如何能够将它们传递到后代。

他们提出，可逆扰动会在调控网络内引发不可逆的连锁反应。当一个基因失活时，它会影响网络中紧邻它的基因。当第一个基因重新激活时，级联反应已经全面展开，因为基因可以形成自我维持的回路，一旦激活，就不受外界影响。

“这是一种网络现象，”复杂系统动态行为方面的专家莫特说道。“基因之间相互作用。如果你扰乱一个基因，它就会影响其他基因。”

尽管他的团队正在通过停用基因来验证这一假设，但莫特很清楚，不同类型的干扰可能会造成类似的影响。“我们也可能改变了细胞的环境，”他说。“可能是温度、营养物质的可用性或pH值。”

这项研究还表明，其他生物体也具备表现出非遗传性的必要元素。“在生物学中，假设任何事物都是普遍存在的，都是很危险的，”莫特认为。“但直觉上，我确实认为这种效应很普遍，因为大肠杆菌的调控网络与其他生物体相似或更简单。”

更多信息：YiZhao等，细菌调控网络的不可逆性，ScienceAdvances(2024)。DOI：