科技日报消息——根据一项来自索尔科生物研究所的开创性研究结果，一种与植物DNA相关的隐藏密码使他们能以极快的速度发展与遗传新的生物性状，这种速度超出了过去所有的预期。
9月16日的《科学》杂志发表了这项研究成果。它首次证明了有机体的“外生”代码——DNA中生化指令的额外层——可以比遗传密码进化得更快，且能强烈地影响生物性状。
尽管这项研究仅限于一种叫做拟南芥的植物，相当于植物世界中的实验室老鼠，这些发现暗示了其他生物体的性状，包括人类，也许也同样地被科学家刚刚才开始了解的生物反应机制深刻地影响着。
“我们的研究发现，它不仅仅存在于基因里，”研究组的领导，索尔克植物分子与细胞生物学实验室教授，约瑟夫·埃克说道。“我们发现，这些植物拥有一种外生代码，这种代码比我们想象的更加灵活而具有影响力。这清楚地说明，对遗传力的某一个组成部分，我们并不完全了解。我们人类可能拥有相似的活性外生遗传机制，它控制了我们的生物特征并且将其传递给后代。”
随着快速绘制生物体DNA技术的产生，科学家们发现储存在四字母DNA编码中的基因不完全决定生物体如何发展与反应环境。生物学家绘制不同生物体的基因组（其整个基因代码）越多，他们发现遗传密码决定的与生物体实际的实际外观和功能之间的差异也越多。
实际上，许多导致这些结论的重要发现都是以植物研究为基础的。外生代码控制了某些生物形状，如花朵的形状与果实的色泽。这些证明了经典孟德尔遗传学的预测不成立的生物性状，在哺乳动物中也有发现。例如，某些鼠类的菌株中，肥胖的倾向能代代相传，但胖鼠与瘦鼠的遗传密码却并无不同，这时，遗传密码无法解释胖瘦鼠的重大差别。
科学家们甚至发现了人类双胞胎表现出了不同的生物性状，尽管他们的DNA序列匹配。他们推论这些尚无解释的差异性是由于外生遗传机制的不同。
“因为这些变化和遗传的方式与基因序列的预测结果都不匹配，所以一定有某种缺失了的‘基因’遗传力成分。”埃克说。
埃克和其他科学家一直在追踪这些神秘的模式，直至DNA序列的顶部上一层控制基因的化学标记。正如基因突变可以自发产生并为后代继承，外生突变也可以在个体上发生并蔓延到更广泛的人口中去。
尽管科学家们已经识别了一些外生性状，但关于他们自发产生的频率、在人群中的传播速度和他们对生物发展与功能的影响，科学家们几乎一无所知。
“科学界中，对代际之间植物外生变化的认识程度大有不同，”埃克实验室中的博士后罗伯特·施密茨说，他是这篇论文的第一作者。“我们实际上做了这项实验，并且发现总体来讲代际之间的变化是非常小的。但自发的外生变化的确存在于人群之中，而且比发生DNA突变的频率要高得多。有时，他们对基因表达的确定性产生了有力影响。”
在他们的研究中，索尔克研究人员与斯克里普斯研究所的合作者绘制了一系列拟南芥的表观，然后观察了生化现象在30代中发生了怎样的改变。这项绘制工作包括记录DNA分子中所有可能发生“甲基化”这种化学改变的位点的情况。甲基化这项外生变化可以改变相关基因的表达。他们接着观察了随着代际延续，这些位点的甲基化过程。
这些植物都是同一个祖先的后代，因此各代的DNA序列本质上完全相同。因此植物特定的生物性状发生改变，都更可能是外生代码自发改变的结果，也即上文中DNA位点的甲基化，而不是有关DNA序列的变化。
“对人类无法进行这种研究，因为我们的DNA每一代都会重新洗牌，”埃克说，“与人类不同，一些植物很容易克隆，这样我们就能看到不受任何基因干扰的外生信号。”
研究者们发现，多大数千个植物DNA上的甲基化位点每代会变化。尽管在拟南芥估摸可达六百万的甲基化位点中，这只是一小部分，但它高出了DNA序列中可见的自发变化五个数量级。
这表明，植物的外生编码——推而广之，和其他生物体的外生编码——远远比其遗传密码要易变。
更令人惊奇的是，这些变化使基因开启或关闭的限度。一些植物的基因在经历甲基化遗传变异的同时，也经历了基因示性的重大改变——这个过程是基因通过调节蛋白质生产控制细胞功能而完成的。
这意味着，不仅在没有外界环境强大压力的条件下，植物的表观基因组会迅速变化，而且这些变化对植物的形态和功能都有强烈影响。
埃克说，研究结果为外生编码能快速重写和产生重大影响提供了一些证据。“这意味着基因并不是注定的，”他说，“假如我们与这些植物有任何相似之处，我们的表观基因组也可能会经历相对来说快速的自发改变，它也许会对我们的生物特性有强烈影响。”
既然他们证明了自发外生变异会发展到何种程度，索尔克研究员们计划破坏这些使变化发生并传递至下一代的生化机制。
他们也希望探索不同的环境条件，如气温差异等，会如何促进植物的外生变异；或者反过来，外生变异的性状是否会使植物在应对环境变化时具有更强的灵活性。
“我们认为这些外生项目也许在不需要时是静止的基因，而当外界环境必要时发生改变。”埃克说，“直到我们检测外生突变对植物的影响后，我们才会了解它的重要性。而我们目前恰好在能做这些实验的节骨眼上。这实在令人兴奋。”
这项研究得到了国家科学基金会，国立卫生研究院，霍华德休斯医学研究所，戈登和贝蒂摩尔基金会和玛丽·K·.查普曼基金会的支持。
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