专家点评NCB | 田烨课题组揭示神经元应激可以跨代传递
现代遗传学始于孟德尔对遗传规律的探究，自此揭开了破解DNA是遗传信息载体的序幕。随着研究的深入，人们进一步发现遗传信息与生物体所处的环境和经历共同作用，影响个体的性状，包括发育、生殖、衰老以及行为等等。由于环境是动态变化的过程，生物学家长久以来都很在关注，遗传信息是否可以记录个体的经历以及环境胁迫，促使生物体以某种方式适应环境变化，并且将这一“适应性”变化的信息传递给后代，让后代在并未直接经历上一辈所经历的环境胁迫下就能产生某些获得性性状，以应对预期的压力和挑战。
一些人类流行病学研究和动物模型研究已经报道了，个体经历的环境胁迫可以产生跨代遗传效应，包括能量限制、脂肪摄入增加、可卡因成瘾、神经恐惧记忆或病原菌暴露等。其中一些研究的证据表明，特定的某些体细胞经历的应激信号（并不一定是生殖系直接暴露于压力胁迫条件下）也可以诱导跨代遗传效应，相关的机制研究大多聚焦于改变生殖细胞内DNA或组蛋白的表观修饰或小RNA，进而改变了后代的基因表达。目前已报道的跨代遗传效应大多仅局限于传递3-5代，相关的代际传递的可塑性调控的机制也尚未被深入探索。
2021年8月2日，中国科学院遗传与发育生物学研究所田烨课题组在Nature Cell Biology杂志以封面长文形式在线发表The memory of neuronal mitochondrial stress is inherited transgenerationally via elevated mtDNA levels。该研究报道了一个全新的跨代遗传现象——线虫神经元的线粒体应激，可以通过提高生殖腺中线粒体DNA（mtDNA）的拷贝数，促进后代个体继承更多的mtDNA，继而引发后代个体中mtDNA与核基因组DNA（nDNA）的比例失衡，激活线粒体未折叠蛋白反应（mitochondrial unfolded protein response, UPRmt）。这一神经-生殖腺的线粒体应激信号的传递，是通过线粒体细胞因子（mitokine）Wnt信号通路介导的，使得后代个体虽然并未经历上一辈的压力胁迫，但却意外获得更多的mtDNA以及上一代的适应性反应UPRmt，这一跨代传递的效应赋予了后代更强的抗逆境能力以及更长的寿命。
该研究始于一个非常偶然的观察，在常规的线虫遗传杂交实验中，研究者发现了一个有趣的现象：神经元线粒体应激诱导的UPRmt可以被后代继承，即使上一代的神经元线粒体应激信号被去除后，其后代可以持续将原始应激反应UPRmt信号传递许多代（n>50代）。诱导神经元线粒体应激反应的信号包括：在神经元中过表达亨廷顿致病蛋白polyQ40，表达mitokine因子Wnt/EGL-20或是神经元特异敲降线粒体电子呼吸链（OXPHOS）复合体组分cco-1。不论用何种方式诱导神经线粒体损伤，都可以产生类似的跨代遗传效应。
通过正反交遗传实验，研究者发现这种跨代遗传效应并不符合孟德尔遗传规律，而是以母系遗传的方式在代际之间传递的，这一结果排除了该跨代遗传效应是因为可能选择了一些携带了随机产生的诱导线粒体损伤的基因突变的个体。
为了探寻这一全新的跨代遗传的分子机制，通过RNAseq分析，研究者发现具有跨代UPRmt效应的线虫中，线粒体DNA编码的OXPHOS基因表达水平显著上调，而细胞核DNA编码的线粒体OXPHOS基因并未有显著的变化。分析可能是由于：1）mtDNA的转录水平提高了；2）mtDNA拷贝数较高。结果显示：参与mtDNA转录调控的基因并未有显著上调，而mtDNA的拷贝数确实在具有跨代效应的个体中显著上调了。且在不同的发育阶段以及分离的线虫生殖腺和卵母细胞中，都检测到mtDNA水平的显著上调。同时，研究者还追踪了个体水平的mtDNA在代际之间传递的数据（2-20代）。这些数据都说明了具有跨代UPRmt效应的线虫携带了高拷贝的mtDNA。
组成线粒体电子传递链的蛋白复合体是由mtDNA与nDNA共同编码，分别在线粒体内或细胞质中合成后在线粒体中组装而成。这两个来源的蛋白之间的平衡对于线粒体电子呼吸链复合体的组装和功能尤其重要。后代中mtDNA拷贝数的升高，会引起线粒体内蛋白质稳态的失衡，表现在OXPHOS复合体的组装效率下降，线粒体呼吸能力下调，ATP产生减少。因此，虽然后代并未直接经历上一代的神经线粒体损伤，但是因为获得了更多的mtDNA拷贝数而导致线粒体稳态失衡，诱导产生UPRmt。
接下来，研究者探索了高拷贝的mtDNA以及跨代的UPRmt效应是如何在代际之间传递的。参与UPRmt调控的表观因子LIN-65以及转录因子ATFS-1虽然对于UPRmt在本代中的激活至关重要（详见BioArt报道：Sci Adv | 田烨组揭示线粒体代谢物通过表观因子NuRD调控衰老的机制），但是并不参与高拷贝的mtDNA在代际之间的传递。而课题组在Cell发表的文章（详见BioArt报道：Cell丨田烨组报道Wnt介导神经细胞到肠道的线粒体稳态调控——蔡时青点评）中报道的Wnt信号通路参与跨组织传递线粒体应激反应，也通过转录水平上调线粒体DNA聚合酶polg-1，参与神经-生殖腺的线粒体应激信号交流。
如果成年经历以及环境胁迫可以诱导线虫后代携带更多拷贝的mtDNA，那么长久的生物进化以及自然选择过程中，是否已经促使自然界中的线虫获得了类似的性状。因此，研究者收集了大量的来自世界各地的野生秀丽隐杆线虫品系，从中检测到了两株携带高拷贝mtDNA的品系ED3011和KR314。研究者将这两个品系的线虫分别与实验室野生型线虫N2进行正反交实验，结果表明如果母本携带高拷贝的mtDNA，那么F1子代也继承了携带较高水平的mtDNA，且表现出UPRmt激活的表型。
继承了较高水平的mtDNA以及随之产生的UPRmt会给后代带来什么影响呢？研究者发现，携带了高拷贝mtDNA的后代具有更强的抗逆能力，包括耐热、抗菌、以及抗百草枯毒素的处理，而且获得了更长的寿命；作为代价（trade off），这些后代个体也表现出了发育迟缓和生殖力下降。因此，当没有环境压力选择或者人为选择的条件下，携带高拷贝的mtDNA后代在群体中的比例将会很快下降并逐渐消失；但是当遇到类似上一代经历的环境胁迫时，这些后代将展现出更强的生存和竞争力。
综上所述，田烨课题组发现了一种全新的线粒体应激跨代遗传现象。该研究揭示了线粒体DNA拷贝数在跨代遗传效应中的重要作用，同时拓展了Wnt介导神经-外周组织的线粒体应激信号交流的调控模式（下图）。
模型总结
中国科学院遗传与发育生物学研究所田烨研究员为本论文的通讯作者，博士生张茜为第一作者，参与该工作的还有研究生王子豪、张文峰、文庆博、李心宇、周俊、郭永青、副研究员邬雪影、博士后刘阳丽。遗传发育所钱文峰研究员和研究生魏昌硕为本文的数据分析提供了帮助。
值得一提的是，来自美国贝勒医学院的王萌教授在同期NCB上发表题为“Mitochondrial UPR through generations”的评论文章，高度评价了该项研究成果，认为该工作揭示了之前被低估的mtDNA拷贝数对于跨代应激效应的影响以及Wnt信号通路调控mtDNA拷贝数的保守性。
专家点评
陈琦 (University of California, Riverside，哺乳动物跨代遗传研究专家)
来自多个物种的研究已经发现一些特定的环境刺激不仅可以诱导接受暴露的个体出现特定的表型，还可诱导跨代遗传效应，导致其直接后代（或者孙代及后续子代）在不接触上一代环境暴露的情况下继承上一代的表型。而这种获得性性状的跨代遗传往往不依赖于特定DNA序列的改变（细菌/古细菌中的CRISPR-Cas系统除外）。关于跨代遗传现象的研究近年持续升温，但其现象背后的诸多谜团尚未完全解析，且各个物种具有不同的机理，这包括介导跨代传递性状的分子载体，以及体细胞-生殖细胞之间的信息交流方式等。
田烨实验室刚刚在NCB发表的工作以线虫为模型，发现神经细胞线粒体应激所产生的适应性反应（UPRmt）可通过调控后代线粒体DNA（mtDNA）的水平实现UPRmt现象的母系跨代传递（>50代），并发现具有UPRmt现象的线虫后代具有更高的抗逆境能力和更长的寿命。这个漂亮的工作为环境诱导的表型跨代遗传研究提供了几个重要的新认知以及思考方向：
1）关于最初环境诱导的体细胞信号如何传递到生殖细胞：
本文解决的第一个重要问题是一个特定的体细胞（本文中的神经细胞）受到应激产生的反应如何传递给生殖细胞？关于这个问题该实验室在之前的工作基础上已发现神经元线应激诱导的UPRmt现象可通过Wnt信号传递线虫的其他体细胞 (Cell 2018)，本文的数据则进一步支持了生殖细胞也同样受到了UPRmt影响并且依赖于wnt通路。而生殖细胞产生UPRmt现象则进一步触发了跨代遗传的关键信息: mtDNA的水平（见下）
2）关于实现跨代性状传递的分子载体，以及该分子载体如何不断跨代传播 (propagation)：
本文的一个重要结果在于发现神经元线应激诱导的UPRmt现象是通过母系传递，并揭示UPRmt现象可提高生殖细胞的mtDNA的水平，导致部分子代继承了高mtDNA水平；而高mtDNA水平则在子代细胞中进一步诱发UPRmt现象，并进一步产生具有高mtDNA水平的生殖细胞 -如此反复使得每下一代个体中均有部分个体含有高mtDNA水平，实现了mtDNA这一关键分子信号的长期跨代维持和传递。相反，在UPRmt反应水平低的后代中mtDNA的水平也较低，其后代也更难有效地激活UPRmt现象，导致在随后几代线虫的mtDNA水平逐渐下降到正常水平。
这一现象背后很可能的scenario是: 由于生殖细胞分裂过程中细胞质的随机分布，即便携带相对高mtDNA的个体也会不可避免地同时产生高mtDNA和低mtDNA的配子，而这一现象从物种适应和演化的角度来讲非常重要（见下）
3）关于物种快速适应环境以及新种群 (strain) 形成
该工作为物种（线虫）如何实现对环境的快速适应和演化筛选提供了有趣的思考：文章中发现高mtDNA的个体更加耐逆境和长寿，但生殖力低下；而低mtDNA的个体的则相反。由于线虫的几十代就是几个月的时间，仍然属于短时间的环境改变，如果这个期间出生的线虫群体中始终具有高mtDNA和低mtDNA两种群体，这给未来不确定的环境变化提供了有效的buffer——无论未来的环境回到低应激还是高应激状态，该总群都能够快速的适应。以此延伸出的一个相关问题是：如果持续地给予高应激的环境，需要多少代会产生额外的分子适应，甚至导致全新种群（strain）的产生？
4）关于哺乳动物及人类临床：
最后值得一提的是，在小鼠中饮食诱导的母体肥胖也可以导致F0母亲卵子线粒体结构/功能异常，并导致其子代和孙代(F1-F2)在正常饮食下卵子的线粒体也出现形态/功能改变，并且伴随F1-F3后代小鼠在正常饮食喂养下出现糖代谢异常以及骨骼肌中线粒体形态/功能异常（Cell Rep 2016, PMID: 27320925）。这提示通过线粒体传递跨代遗传性状在进化上具有普适性，本文章在线虫中发现的机理值得在哺乳动物进一步检测。
而这些研究中发现的现象和分子机理也可能为目前临床上方兴未艾的人类卵子‘线粒体移植疗法’提供新的思考和安全评估方向。
专家点评
施鹏 (中科院昆明动物所，进化和功能基因组学专家)
达尔文自然选择学说中强调了生物体对外界环境变化的适应。虽然有众多的实例从长时间尺度（几十万年到百万年）确认了这一理论的正确性，但是，对于生命体如何在环境变化或者胁迫之初，响应这种变化，并且在遗传层面获得稳定遗传的机制还是悬而未决的。这一问题也是目前达尔文自然选择学说中关于进化驱动力的核心争论问题。一般来说，生命体响应某种环境变化或胁迫之初，会显现出表型的可塑性。表型可塑性可以引起表观遗传学的变化，这在过去一系列表观遗传学研究中都得到验证。但是，关键的问题是这些发生与体细胞的表观变化如何通过生殖细胞稳定地、持续地传递给后代，并且将这种有利的变化在后代群体中扩张还是不清楚的。
中国科学院遗传与发育生物学研究所田烨课题组在Nature Cell Biology杂志在线发表了“The memory of neuronal mitochondrial stress is inherited transgenerationally via elevated mtDNA levels”。该研究报道了一个全新的跨代遗传现象——线虫神经元的线粒体应激，可以通过提高生殖腺中线粒体DNA（mtDNA）的拷贝数，促进后代个体继承更多的mtDNA。通过线粒体细胞因子（mitokine）Wnt信号通路介导的神经-生殖腺的线粒体应激信号的传递，使得后代个体虽然并未经历上一辈的环境压力胁迫，但却意外获得上一代的适应性反应。
这一发现不仅说明了跨代传递的效应赋予了后代更强的抗逆境能力以及更长的寿命，更重要的是这也是第一个实证证实了表型可塑性及其分子机制可以贡献于物种的适应性进化，可以使得后代在并未直接经历上一辈所经历的环境胁迫下就能产生某些获得性性状，从而获得更高的适合度，并将这有利的遗传变化在群体中扩张以致于固定。这一工作从短时间尺度理解生物体适应环境变化或胁迫的遗传机制，从而为进一步理解达尔文自然选择学说提供了一个全新的视角。
专家点评
蔡时青 (中科院神经所)
神经元是体内最活跃的细胞之一，含有大量的线粒体以满足其能量需求。当神经元受到胁迫时，可通过线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）信号传递协调组织间应对来自逆境的压力。近几年研究发现UPRmt是一种重要的、调控寿命的信号通路，但其生理功能和调控机制仍不清楚。2018年，中科院遗传与发育生物学研究所田烨课题组在Cell杂志上就报道了Wnt信号通路作为Mitokine介导了神经元胁迫信号传递至肠道并激活细胞非自主的线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt），回答了UPRmt在组织间传递协调机制。在这期的Nature Cell Biology杂志中，田烨课题组报道了神经元胁迫诱导的UPRmt具有隔代遗传效应，并阐明了其背后的分子机制。
在生命繁衍的过程中，线粒体通过卵细胞从母本向子代传递，承载了遗传的关键作用。那么来自上一代神经元上线粒体产生的应激信号是否可以隔代遗传是一个十分有趣、非常重要的问题。在这项工作中，田烨课题组提供了肯定的答案。她们发现线虫神经元线粒体应激诱导的UPRmt跨组织、跨代的母系遗传效应可以持续超过50代，神经元应激诱导的线粒体DNA拷贝数增加以及线粒体与细胞核信号交流异常是产生这种跨代遗传的重要原因，而Wnt信号通路则参与了这一跨代遗传的信号调控。线粒体应激反应参与衰老和抗感染的免疫调控，她们的工作也揭示这一重要生理功能也可以隔代遗传， 后代中UPRmt被激活的个体呈现更强的抗感染能力和更长的寿命。
田烨研究员长期研究线粒体未折叠蛋白反应，近几年的一系列工作拓展了对线粒体未折叠蛋白反应调控机制、组织间信号交流协调机制及其生理意义的认识。这篇NCB文章揭示了线粒体产生的应激信号隔代遗传现象，并阐明其机制，是线粒体未折叠蛋白反应又一重要发现。该工作进一步拓展了有关神经元线粒体到周边组织的信号交流机制的认识，揭示了神经元与生殖腺的线粒体也存在着某种信号交流，而且这一交流方式促进了线粒体DNA拷贝数的上调，使得后代继承了上代线粒体应激信息。在该文中，作者发现Wnt信号在哺乳动物细胞中也可调控mtDNA水平，提示在线虫上发现的线粒体未折叠蛋白反应隔代遗传现象可能是保守的。鉴于线粒体功能异常是衰老及神经退行性疾病大脑最为显著的标记之一，进一步研究哺乳动物神经元线粒体应激反应是否有类似的隔代遗传现象，对于子代健康具有重要的指导意义。
