E每年古生物学家艾伦·库珀都会在育空遇到一群矿工。当矿工们开始他们的工作时，他们向冰冻的泥土和淤泥喷射大量的水来挖掘黄金，他们也暴露出了更新世的动物遗骸，大约在200万到1.2万年前。那时候，北美到处都是大型哺乳动物。羚羊、骆驼、美洲驼和当地的马在广阔的平原上漫步;狮子、剑齿虎和恐狼四处觅食;巨大的地懒跌跌绊绊地走着，剥去树枝上的树叶和果实。
但是，当地球过渡到当前的地质时代，即全新世时，这些物种中的绝大多数已经灭绝，最有可能是由于气候变化或人类狩猎。阿德莱德大学澳大利亚古代DNA中心主任库珀说，更新世时期的气候变化是“巨大的、频繁的、迅速的”。“有时是10年或20年的10摄氏度的变化。”对于动物来说，通过自然选择的标准进化来应对如此巨大的变化是很困难的，通常需要几十年甚至几千年的时间来传播有利的基因突变和磨练适应能力。
古代DNA的固有损伤可能为研究古代表观遗传学打开一扇窗。
然而，不知怎么的，一些巨型动物在多变的更新世幸存了下来，包括一些种类的野牛。它们现存的后代，北美森林野牛和平原野牛，是今天北美大陆上最大的陆地动物。古生物学界的一大谜题是，是什么让野牛如此有韧性。那么多其他国家都失败了，它是如何适应的呢?
库珀认为，部分原因就在育空地区的永冻层下面。通过正确的技术，他可以从他收集的化石中的DNA中提取出一段秘密历史。他们的遗传物质隐藏了一个科学家刚刚开始了解的进化维度，即表观遗传学。表观遗传突变有可能遗传，但与基因突变不同，它们不会改变DNA序列。相反，它们表现为粘在DNA上的分子模式，帮助确定哪些基因是活跃的。这些模式被称为表观基因组，具有高度的可塑性，不断适应生物体的生理机能以及外部环境的波动。一些表观遗传适应性变得相对稳定。
我的家族在基因边缘的十年
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如果它们一直在动物和人类中代代相传——研究人员仍在争论——它们代表了一种被忽视的进化形式，与典型的基因突变截然不同，但又平行。即使它们不这样做，每一代中广泛的表观遗传变化可以帮助动物群体迅速适应环境压力，比如气候的大幅波动，食物来源的减少，或者，对人类来说，长期的战争。
然而，就目前而言，表观遗传学对长期进化的重要性还是一个悬而未决的问题。为了回答这个问题，库珀和古表观遗传学这一年轻领域的其他科学家正在从化石中提取DNA，并对很长一段时间内的表观基因组进行比较。如果说基因组就像大多数学者引用的关于物种进化的原始历史记录，那么表观基因组就是一本仍在被发现的重要注释和修订的重写本。古代表观遗传学可以帮助解释环境如何随着时间塑造一个物种，为什么一些物种比其他物种更长寿，以及物种最初是如何形成的。但这并不容易。首先，这需要大量的挖掘工作。
A.尽管自20世纪80年代以来，研究人员一直在从原始生物的遗骸中恢复DNA，但从化石中恢复古代表观基因组直到大约六年前才成为可能。像基因组一样，表观基因组也存在于细胞核中，细胞核是细胞的遗传指挥中心。一组一组的酶快速地粘合和分离各种分子与DNA链。你可以把这些分子想象成DNA的可拆卸的挂锁和欢迎毯:它们要么阻止其他细胞机器访问某些序列，有效地让这些基因沉默，要么鼓励它们。当在化石DNA中寻找这些表观遗传标记的踪迹时，研究人员把重点放在了最持久的标记上:甲基，它通常被标记在核苷胞嘧啶(DNA四字母字母表中的“C”，GATC)上。一般来说，甲基化使基因沉默。
当DNA存在数万年后，它不可避免地会退化。胞嘧啶通常降解为尿嘧啶，一种通常在RNA中发现的核苷酸。DNA测序机将这些由尿嘧啶产生的损伤误读为胸腺嘧啶（“T”），因此研究人员经常通过各种化学处理来消除它们。2009年，阿德里安·布里格斯（Adrian Briggs）正试图用尼安德特人的DNA做这件事。当时，他是德国马克斯·普朗克进化人类学研究所的研究生，在世界领先的古DNA专家斯万特·帕博的指导下学习。尽管布里格斯尽了最大的努力，尼安德特人的DNA序列仍然含有出人意料的大量胸腺嘧啶。
越来越多的证据表明，创伤、饥荒和暴力对活着的人类有持久的表观遗传影响。
通过与同事的交谈，Briggs了解到只有未甲基化的胞嘧啶会降解为尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶则会降解为胸腺嘧啶。布里格斯意识到他可以把这个表面上的麻烦变成一种优势。首先，他要去除尼安德特人DNA样本中的所有尿嘧啶。然后他会比较尼安德特人的基因组一些位置可能代表了一个真正的突变，但大多数可能表明甲基化的尼安德特人胞嘧啶已经降解为胸腺嘧啶。古代DNA的固有损伤可能为研究古代表观遗传学打开一扇窗。
2010年，Briggs，Päbo和他们的同事报告说，他们可以从一头40000岁的尼安德特人和长毛猛犸的骨骼中重建DNA甲基化模式。这是一项前所未有的成就。两年后，库珀和他的团队使用了一种稍有不同且更精确的技术来分析育空地区26000年前草原野牛化石DNA中的甲基化模式。在测序之前，他们使用亚硫酸氢钠将所有未甲基化的胞嘧啶转化为尿嘧啶，只留下未受损的甲基化胞嘧啶进行比较。现代牛中已知的高度甲基化的区域在古代野牛中也被高度甲基化，这表明它们的重建是准确的。
E从人类遗骸中甚至出现了更诱人的发现。去年，哥本哈根大学的Ludovic Orlando和他的同事们推断了一个4000岁的Greenlander DNA中甲基化的模式。甲基化位点不仅与活体人类头发DNA中的甲基化位点相匹配，而且具有生物学意义，允许表达对形成头发蛋白质至关重要的基因。
同样，耶路撒冷希伯来大学的Liran Carmel和他的团队发现，尼安德特人和丹尼索瓦人DNA中的大多数甲基群与现代人类基因组中的甲基群同步，这在如此密切相关的古人类中是可以预料到的。然而，在一些领域，有明显的不同，比如HOXD10和HOXD9基因。尽管这些基因序列本身在人类和尼安德特人身上是相同的，但在尼安德特人身上它们的甲基化程度更高。它们对肢体发育也至关重要，这表明表观遗传学可能是现代人类进化出纤细四肢的部分原因，而尼安德特人的四肢略短而结实。一些研究人员提出，尼安德特人的身体结构比我们的身体结构更节能，这可能给了我们在狩猎和长途迁徙以逃避不利条件(如干旱或严冬)时的优势。
最近，德克萨斯大学奥斯汀分校的里克·史密斯研究了230至4500年前的美洲土著遗骸的表观遗传学。使用亚硫酸氢盐测序，他能够在30个样本中的29个中识别甲基化特征，这是一个前所未有的成功率。他对过去几千年的暴力、饥饿和其他压力是否在美洲土著部落的DNA中留下了表观遗传印记特别感兴趣。“越来越多的证据表明，创伤、饥荒和暴力对活着的人类有长期的表观遗传影响，特别是如果它们在生命早期经历的话。我们可以从古代社会的DNA中寻找类似的表观遗传模式，我们有良好的记录表明，这些社会经历了类似的压力。”
A.尽管许多研究人员对古表观遗传学的潜力感到兴奋，但他们也很快提出了一长串重要的警告。“我们正处于这个领域的诞生阶段，我们有很多潜在的方向可以走，有很多问题我们现在可以尝试和回答。我真的很兴奋，”史密斯说。“但我们应该谨慎行事，对我们做出的推断要非常小心。”
其中一些挑战是技术性的:从真正古老的化石中恢复足够的DNA来进行任何有意义的分析是相当罕见的。例如，在他们的第一项研究中，库珀和他的同事只能从六头野牛的头骨中提取足够的DNA。分析本身就更加棘手:“几乎你所做的任何事情都会影响你的DNA甲基化模式，”卡梅尔说，“但仍不完全清楚如何在所有情况下解释这些模式。”甲基化特征在不同类型的组织中会有很大的差异，所以牙齿、骨骼或毛发(那些存活了千禧年的组织)的表观遗传学可能不能准确地描述一个有机体的整体。同一种群中不同年龄的不同个体也可能具有明显不同的表观遗传学，因此仅凭一两个样本就对整个物种做出宽泛的结论充其量只是一种试探。
到目前为止，研究人员一直试图绕过这些困难，将重点放在基因组中已知的跨特定物种的强甲基化或弱甲基化区域。为了对基因组中甲基化程度不同的部分(即他们期望发现适应迹象的部分)做出自信的结论，他们将不得不耐心地收集大量样本。奥兰多解释说:“解决这个问题的唯一方法是对大量的个体进行研究，因为这样你就可以把可能有问题的生物因素平均起来。”“那么我们就不只是在比较个体，而是在比较整个群体。”
如果表观遗传突变本身在动物和人身上遗传，并能存活许多代，那么它们无疑会改变长期的进化。
更大的困境是关于表观遗传变化是否遗传，以及它们多久能存活足够长的时间来对进化产生影响的争论。科学家们已经在细菌、真菌和植物中记录了大量的表观遗传案例，但在动物中类似的例子较为罕见，通常仅限于实验室实验。一些长期研究人类健康,最著名的一个跟踪家庭1944年荷兰饥荒期间及之后,表明孕妇epigenetically传输易受健康状况不佳,她的孩子和孙子,但这种效应似乎消失在后代。更复杂的是，虽然微生物和植物中跨代表观遗传学的生物机制已经相当完善，但在动物中仍然是神秘的。
鉴于这些困境和知识差距，一些遗传学家对表观遗传学在长期进化中的重要性持高度怀疑态度。表观遗传学研究综述发表在细胞去年得出的结论是:“环境诱发的表观遗传变化很少能在世代间遗传，更不用说适应性了，即使在植物中也是如此。”因此，尽管人们对代际遗传对人类健康的潜在影响给予了很多关注，但迄今为止很少有支持。”
如果对压力的表观遗传反应不是遗传的，那么研究人员在化石DNA中发现的任何有趣的差异必然只限于特定的个人和一代人。然而，即使没有遗传，表观遗传突变也可以在进化中发挥微妙和间接的作用:如果它们在生物的一生中赋予其生殖优势，那么它们就有助于该生物基因的传播。一些科学家还提出，环境诱导的适应有时会成为基因编码:也许，通过未知的机制，基因突变增加了建立某些有益的表观遗传模式的可能性。
如果表观遗传突变本身在动物和人身上遗传，并能存活许多代，那么它们无疑会改变长期的进化。卡梅尔发现的尼安德特人和人类表观基因组之间的差异，暗示了我们自身进化史上存在这种可能性，但这些发现仅基于少数DNA样本。除非研究人员积累了足够大的古代DNA库，否则他们无法得出更明确的结论。这就是为什么库珀和他的同事每年都回到北美，在寒冷的黑色山坡上漫步，下到洞穴中寻找有希望的化石。到目前为止，他们已经收集了几百个跨越5万年的标本。
库珀的计划是比较生活在特定时期压力之前和之后的野牛的表观遗传学，看看他是否能将任何表观遗传学突变与解剖学适应联系起来，这可能有助于动物生存下来。“这确实是一个巨大的挑战，”他说，“但目前看来很有希望。”
费里斯·贾布尔是波特兰的一位作家。他曾为我写过信《纽约时报》、《纽约客》、《科学美国人》、《连线》、《新科学家》、《大众力学》、《新星》和锥子。
