大眼睛、高鼻樑、高智力、長壽……眾所周知，生物遺傳會對後代的很多特徵產生影響。那麼，生物對環境壓力產生的適應性應激反應也會遺傳嗎？近日，中科院遺傳與發育生物學研究所田燁課題組以封面論文形式在線發表於《自然—細胞生物學》的研究給出的答案是：會。
作者 | 馮麗妃
“創新”“重要”“有趣”，三位審稿人對這項研究如是評價。
在新研究中，作者發現一種全新的跨代遺傳現象——神經元線粒體的應激記憶可通過線粒體DNA（mtDNA）水平升高來遺傳。它賦予了後代更強的抗壓能力以及更長的壽命。
不過，這樣的遺傳優勢也會讓後代付出“代價”。
全新跨代遺傳現象
俗話說，“龍生龍，鳳生鳳，老鼠的兒子會打洞”。遺傳與環境共同作用，決定着個體的發育、生殖、衰老和行為等諸多特徵。
“在受到環境壓力脅迫時，生物體會產生適應性的應激反應。”論文通訊作者田燁在接受《中國科學報》採訪時說，長久以來，生物學家一直非常關注的科學問題是，生物體所產生的這些應激反應是否可以直接傳遞給後代。
“這樣的應激反應可以讓後代在尚未直接經歷上一輩的環境脅迫時，就獲得某些性狀，使他們能夠更好地應對預期的環境變化和壓力脅迫。”她解釋說。
作為神經系統最基本的結構和功能單位，神經元就像圍繞中心點（細胞體）多向伸展的樹突一樣，具有聯絡和整合輸入信息並傳出信息的作用。
線粒體作為細胞的“動力室”，是製造能量的結構和細胞進行有氧呼吸的主要場所。神經細胞要工作，就需要線粒體供應能量。
在研究中，田燁報道了一個全新的跨代遺傳現象——神經元的線粒體應激通過神經到生殖腺的信號交流，誘導後代個體攜帶更高拷貝的mtDNA，進而導致機體激活線粒體未摺疊蛋白反應（UPRmt）。
這一跨代遺傳賦予了後代更強的抗壓能力以及更長的壽命。
“觀察神經元應激的遺傳效應非常重要，作者提出的模型也很有趣。”一位審稿人評價。
神經元線粒體應激遺傳來自誰
當新生兒出生后，很多人經常會對孩子像爸爸還是像媽媽“爭論不休”。對於神經元線粒體應激遺傳帶來的“饋贈”，這一點沒商量：一定是來自媽媽。
“線粒體都是母系遺傳，父代則不會。”田燁透露，此次的研究始於偶然觀察到的現象——線蟲神經元的線粒體因環境壓力而“受損”，誘導機體產生適應性應激反應UPRmt，並可在後代中代代相傳。
“有趣的是，這篇論文報道了攜帶大量mtDNA的線粒體可以在線蟲母系中代代相傳，而不會被糾正。”一位審稿人寫道，“同樣有趣的是，這種跨代線粒體DNA的升高首先是由神經元應激引起的。”
通過進一步探索，作者發現具有跨代UPRmt效應的線蟲攜帶了更高拷貝的mtDNA，且在線蟲不同的發育階段、分離的線蟲生殖腺和卵母細胞中，都檢測到mtDNA水平的顯著升高。
“組成線粒體電子傳遞鏈的蛋白複合體由線粒體和細胞核DNA共同編碼，分別在線粒體內或細胞質中合成，然後在線粒體中組裝而成。”
論文第一作者、田燁課題組博士生張茜向《中國科學報》解釋，這兩個來源的蛋白之間的平衡對於線粒體電子呼吸鏈複合體的組裝和線粒體功能尤其重要。
她表示，後代中mtDNA拷貝數的升高，會引起線粒體內蛋白質穩態的失衡，表現為氧化磷酸化複合體的組裝效率下降，線粒體呼吸能力下調，三磷酸腺苷產生減少。
因此，雖然後代並未直接經歷上一代的神經線粒體損傷，但是因為獲得了更多的mtDNA拷貝數而導致線粒體穩態失衡，誘導產生UPRmt。
接受饋贈也有“代價”
那麼，母代因環境壓力發生的神經線粒體損傷，在誘導後代攜帶更多mtDNA拷貝數，激活UPRmt后，為何會賦予後代益處呢？
早在2018年發表於《細胞》的一項研究中，田燁課題組就發現UPRmt可以細胞非自主的方式在多個組織中觸發，以響應線粒體功能障礙。
“不同組織間的線粒體應激存在信息交流的能力，最終能更好地保護生物體免受局部線粒體挑戰。”張茜說。
該研究還發現，Wnt信號通路是誘導UPRmt的充分必要條件。生物利用Wnt信號將線粒體應激信號從神經系統傳播到周圍組織。
此次新研究則發現，該信號通路還參與調控神經—生殖腺的線粒體應激信號交流。
結果，繼承了較高水平的mtDNA以及隨之產生的UPRmt使得後代具有更強的抗逆能力，包括耐熱、抗病原菌感染以及抗百草枯毒素（急性線粒體損傷）的處理，而且獲得了更長的壽命。
“但作為代價，這些後代發育遲緩，且生殖力下降。”田燁說。
她表示，當沒有環境壓力選擇時，攜帶更高拷貝mtDNA的後代在群體中的比例將會很快下降並逐漸消失；但當遇到類似祖輩經歷的壓力脅迫時，這些後代會展現出更強的生存和競爭力。