超越 DNA：科学家发现打破规则的遗传方式，约 7% 表观遗传不遵循孟德尔定律

IT之家 6 月 20 日消息，科学家们早就知道，DNA 并非父母将遗传特征传递给后代的唯一方式。“表观遗传”标记 —— 对 DNA 进行的、不会改变 DNA 编码本身的化学修饰 —— 也可以遗传给后代。一个多世纪以来，奥地利生物学家格雷戈尔 · 孟德尔的遗传定律一直是遗传学的基石。约翰斯 · 霍普金斯大学医学院最新一项新研究表明，“表观遗传”标记可以打破孟德尔经典遗传定律。在以小鼠为对象的研究中，科学家发现某些可遗传的表观遗传标记 —— 即在不改变 DNA 序列本身的情况下影响基因活性的化学修饰 —— 能够以不遵循孟德尔经典规则的方式跨代传播。研究人员估计，他们所检测的表观遗传模式中约有 7% 偏离了传统孟德尔预期。该研究同时还揭示了一些新的、意想不到的、违背孟德尔定律的遗传模式，例如一种此前在植物和果蝇中发现、但在哺乳动物中未曾发现的自然发生的基因突变。“表观遗传学的非孟德尔遗传模式，可能是比基因组序列本身的改变更快获得多样性或新性状的途径，尤其是在应对环境压力时。”约翰斯 · 霍普金斯大学医学院、怀廷工程学院和布隆伯格公共卫生学院布隆伯格杰出教授 Andrew Feinberg 博士表示。孟德尔定律描述的是不同等位基因的遗传方式，解释了显性和隐性性状如何从一代传给下一代。在哺乳动物中，后代从父母双方各继承一个等位基因，显性等位基因通常决定哪些性状得以表达。科学家早就知道有些遗传效应不遵循这些规则，，例如基因组印记 —— 化学标记会根据基因来自母亲还是父亲而决定是否让其沉默，基因活性的控制因素变成了亲本来源，而非等位基因的显隐性。此次新研究又确定了五个额外基因中的印记现象，更为重要的是，研究表明非孟德尔表观遗传的发生频率可能高于以往认知。研究人员还在后代中观察到亲代双方均未检测到的表观遗传模式，这一意外结果对遗传学的传统假设构成了挑战。研究团队聚焦于 DNA 甲基化，这是一种常见的表观遗传修饰，即含碳和氢原子的化学基团附着于基因的启动子区域，这些区域有助于控制基因的开启与关闭。为探究甲基化如何遗传，科学家分析了来自三代小鼠的组织样本，这些小鼠年龄在 4 至 6 个月之间，第一代 26 只、第二代 34 只后代、第三代 19 只。Feinberg 与共同通讯作者、得克萨斯农工大学董事教授 David Threadgill 博士，以及约翰斯 · 霍普金斯大学布隆伯格公共卫生学院生物统计学教授 Kasper Hansen 博士合作，连同约翰斯 · 霍普金斯大学研究生 Adam Davidovich，开发了新的实验室和计算方法，可同步分析基因组和甲基化数据。研究人员在整项研究中识别出 522 个案例（约占所检表观遗传模式的 7%），其中非性染色体上的甲基化遗传方式不符合孟德尔定律。这其中包含 54 起罕见或“涌现型”遗传事件：后代出现了某种甲基化模式，但双亲均未表现出相同模式。例如，当两只在某特定等位基因上均无甲基化的小鼠交配后，研究人员有时会观察到后代在该等位基因的两个拷贝上都出现甲基化。“这种甲基化看起来像是凭空出现的。”Feinberg 说道。团队还在一个名为 Capn11 的哺乳动物基因中确定了自然发生的副突变实例。该基因通过钙依赖性调节参与正常精子发育，影响人类版本该基因的突变与不育和精子异常有关。副突变的发生机制是，与一个等位基因相关的甲基化触发了另一个等位基因的甲基化。研究人员在一个含有已知对环境敏感的重复杂遗传元件的区域中发现了这种效应。“几乎就像是甲基化被转移到了另一个等位基因上。”Feinberg 描述道。此前已有研究将表观遗传变化与压力、创伤和饮食等环境因素联系起来。研究结果表明，科学家可能需要同时考量遗传信息和表观遗传信息，才能全面理解性状、疾病和健康结果的遗传方式。Hansen 表示：“这项工作或许会说服科学家更频繁地整合基因组学和表观基因组学，以便完整理解产生疾病和健康状态的性状是如何遗传的。”为开展这项研究，研究人员使用了基因组测序技术，即“长读长”测序，该技术可分析长度约 1 万个碱基对到超过 100 万个碱基对的 DNA 片段。虽然比短读长测序更耗费人力，但这项技术在识别等位基因之间的差异以及检测远离基因主体的甲基化位点方面更具优势。研究团队计划将工作扩展到人类基因组数据，未来研究有望帮助科学家更好地理解受疾病影响家族中的异常遗传模式，并为饮食等环境因素如何影响跨代遗传提供新见解。IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1038/s41588-026-02604-zhttps://doi.org/10.1038/s41588-026-02603-0