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”它们身体和周围环境的短暂、暂时的变化。
而且，尽管这些变化没有在细胞的基因中编码，细胞仍然会将它们的记忆传递给后代。好几代人。
这一发现不仅挑战了长期以来关于最简单的生物体如何传递和继承物理特征的假设，而且还可以用于新的医学应用。例如，研究人员可以通过巧妙地调整致病菌，使其后代对治疗更敏感，从而规避抗生素耐药性。
这项研究将于周三(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，”西北大学的Adilson Motter说，他是这项研究的资深作者。“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调节关系网络的水平上。我们想探索是否有一些特征不是由DNA编码，而是由调控网络本身传递给后代的。我们发现，基因调控的暂时变化会在网络中留下持久变化的印记，这些变化会传递给后代。换句话说，当DNA保持不变时，影响父母的变化的回声在调控网络中持续存在。”
莫特是西北大学温伯格艺术与科学学院的查尔斯·e·和艾玛·h·莫里森物理学教授，也是网络动力学中心的主任。该研究的第一作者是博士后Thomas Wytock和研究生Yi Zhao，他们都是莫特实验室的成员。这项研究还包括与德克萨斯大学西南医学中心的系统生物学家金伯利·雷诺兹的合作。
向模式生物学习
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，他们就假设性状主要是——;如果不完全-;通过DNA传播。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。
Wytock引用了二战期间荷兰的饥荒作为一个著名的例子，指出人类可能存在可遗传的、非遗传的特征。最近的一项研究表明，在子宫内遭受饥荒的男性的孩子，成年后超重的趋势会增加。但事实证明，分离人类这种非基因遗传的最终原因具有挑战性。
调控网络类似于基因用来相互影响的通讯网络。研究小组假设，仅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，也是一种研究得很好的模式生物。
“以大肠杆菌为例，整个生物体是一个单细胞，”Wytock说。“它的基因比人类细胞少得多，大约有4000个基因，而人类细胞有2万个基因。它也缺乏已知的细胞内结构，这是酵母中DNA组织持久性和高等生物中细胞类型多样性的基础。因为大肠杆菌是一种被充分研究的模式生物，我们对基因调控网络的组织有一些详细的了解。”
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，这些变化预计会遗传几代人。该团队目前正致力于在实验室实验中验证他们的模拟，使用CRISPR的一种变体，暂时而不是永久地使基因失活。
但是，如果这些变化是在调控网络而不是DNA中编码的，研究小组就会质疑细胞是如何将它们传递给后代的。他们提出，可逆的扰动在调控网络中引发了不可逆的连锁反应。当一个基因失活时，它会影响网络中紧邻它的基因。当第一个基因被重新激活时，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，一旦被激活，就不受外界影响。
“这是一种网络现象，”莫特说，他是复杂系统动态行为方面的专家。“基因之间相互作用。如果你扰乱了一个基因，它会影响到其他基因。”
尽管他的团队正在让基因失活来验证这一假设，但莫特很清楚，不同类型的干扰可能会导致类似的效果。“我们也可以改变细胞的环境，”他说。“可能是温度、营养物质的可用性或ph值。”
该研究还表明，其他生物体也具有表现出非遗传遗传性的必要元素。“在生物学中，假设任何事物都是普遍存在的是危险的，”莫特说。“但是，直觉上，我确实希望这种效果是普遍的，因为大肠杆菌的调节网络与其他生物体相似或更简单。”
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