那如果還沒有鎖定嫌犯,無法進行比對的時候,DNA還有用武之地嗎?答案是“有的”。從DNA,嚴格來說是DNA上面的修飾,我們還可以知道一個人的“年齡”。知道瞭年齡,目標人群就會進一步鎖定,從而幫助警方更迅速地找到嫌犯或者受害者。

那麼,我們是如何通過DNA推測年齡的?這還要從“表觀遺傳”說起。

什麼是表觀遺傳?

我們知道DNA負責儲存遺傳信息,影響著人類的性狀表達。除瞭一些特殊情況的變異,人的DNA在一生中都不會發生改變。

但為什麼DNA不變,人卻會有變化?環境的刺激為何會造成不同的表觀形態?同一個體中的不同器官明明共享同一套DNA,又為何各有不同?

對於上述問題的解答可以簡單歸納為一句:雖然DNA不變,但其表達程度是可以在不同地點、不同時間被調控的。研究這種調控的分子機制的科學就是 “表觀遺傳學(epigenetics)”

自1942年Conrad Waddington創造瞭“表觀遺傳學”一詞以來,這個學科經歷瞭近80年的發展,發現瞭DNA甲基化、非編碼RNA、異染色質等調控表觀遺傳的機制。關於生物發育階段的變化、基因與環境的相互作用開始有所解釋。

有越來越多的研究發現,一些遺傳領域的DNA甲基化的程度與年齡增長相關,也就意味著通過檢測DNA甲基化的程度就可以得知年齡。

什麼是DNA甲基化?

DNA甲基化(DNA methylation)是一種DNA的化學修飾。通過對DNA的修飾可以達到調控基因表達的效果。以哺乳動物為例(下圖),DNA甲基化常出現在CG位點上(堿基胞嘧啶(C)和鳥嘌呤(G)以組合的方式出現的地方),CG位點又頻繁分佈在基因的表達程度調節的領域上。

DNA甲基化對基因表達的調控 圖片來源:作者提供

DNA甲基化對基因表達的調控 圖片來源:作者提供

如果基因的表達程度調節的領域的CG位點被甲基化,從DNA轉錄到RNA必須的一些物質(RNA聚合酶等)就無法與之結合,DNA就無法被轉錄到RNA,也就無法從RNA合成蛋白質,從而最終影響到表觀形態的變化。

這其實也是衰老機制的一種:伴隨年齡增加,一些遺傳領域的DNA甲基化程度升高或降低,導致必要的基因表達不足或不必要的表達無法被遏制,最終導致衰老帶來的健康問題。

如何用DNA甲基化來預測年齡?

近二十年來,DNA甲基化年齡預測的研究逐漸發展起來。其中最重要的研究之一就是Horvath 2013年發表的“DNA methylation age of human tissues and cell types(不同人類生物組織和細胞類型的DNA甲基化年齡預測)”。

通過分析先前研究積攢的海量數據(8000個健康的細胞組織和6000個癌癥組織的數據),Horvath成功建立瞭DNA甲基化年齡預測模型(353個CG位點使用)。預測年齡與實際年齡的差僅為3.6歲。除此之外,他也觀測到癌癥人群往往有較高的預測年齡,也就是說因為癌癥,生理衰老會被加速。

醫學生命科學檢索引擎pubmed上搜索“DNA methylation age estimation(DNA甲基化 年齡預測)”得到的歷年文獻數量的變化圖(橫軸為年份,豎軸為文獻數量)  圖片來源:作者提供

醫學生命科學檢索引擎pubmed上搜索“DNA methylation age estimation(DNA甲基化 年齡預測)”得到的歷年文獻數量的變化圖(橫軸為年份,豎軸為文獻數量)  圖片來源:作者提供

除這種運用大數據和高通量DNA甲基化測序的研究,也有一些學者關註能否用極少的CG位點就能高精度地預測年齡,從而提高其應用性。畢竟每次年齡預測都需要做很多實驗是很燒錢的,因此目前為止這一技術很難應用在醫療、生理學以外的領域。

目前DNA甲基化年齡預測的應用性研究主要集中在法醫學領域。一個叫ELOVL2的基因被眾多研究證實是可簡單高精度預測人類年齡的,它往往隻需要少於10個的CG位點,就可以得到誤差為7歲左右的精度預測年齡。還有一些其他基因,雖然不如ELOVL2如此與年齡相關,但與ELOVL2一起構成的多位點的年齡預測模型能達到更好的預測精度。

除瞭人類,

年齡預測還可以應用於何處?

對於生態學,“年齡”也同樣是重要信息。想要準確預測生物未來瀕危的程度,對於未來個體數量變化的掌握是必要的。而掌握個體數量的變化,就需要掌握該生物的生活史,也就是掌握數量變化的規律:何時性成熟?何時繁殖?繁殖適齡有多長?壽命有多長?如果不知道年齡,這些生活史問題都無法作答。

像樹木,貝類等有年輪可以提供年齡的信息,但如果是難以長期跟蹤觀察的物種,或體態特征並沒有明顯地伴隨年齡增長而變化的物種,想從外部特征觀察得知年齡是很難的。這時如果能從生物組織標本得到年齡信息,會是對該物種的認知及保育工作的一項革命性突破。

圖片來源:pexels

然而,針對人類以外的哺乳動物,這個領域的研究仍處於萌芽階段。雖然也有一些研究與上述Horvath2013的研究采用一樣的方法,從最根本的全基因組探索與年齡有關的DNA甲基化基因位點,但和人類研究的財力和系統化的數據庫的比起來,還是屬於極少數。

更多研究的年齡預測模型所采用的基因位點,基本都取自人類或實驗室小鼠的研究。在野生哺乳動物領域,Polanowski等的2014年座頭鯨的研究是頭一個,再之後陸陸續續出現瞭灰狼、長耳鼠耳蝠、黑猩猩、草原狒狒、小林姬鼠等等的研究。

值得註意的是,這裡提到的所有研究所用樣本都為血液、皮膚之類,目前還沒有研究使用野外最好收集的糞便作為研究樣本。

糞便的研究難做是有原因的。DNA甲基化具有組織各異性,也就是說,血液裡的甲基化變化和腸壁細胞的甲基化變化不一定相同。同時,可供參考的人類、小鼠先前研究的樣本很少有用糞便或腸壁細胞來進行年齡預測,所以沒什麼可以參考的。因此,以糞便為樣本做研究就像瞎貓捉老鼠,碰到基本靠運氣。加之,糞便DNA劣化嚴重,已有研究的基因都不一定還保存在樣本裡。當然,以糞便為樣本的高通量DNA甲基化測序,可以幫助研究者從頭找到糞便樣本裡可用的基因,這也許是最省時、最系統的研究方法,但這需要足夠的研究經費。

我們希望未來有一天,來到一片荒無人煙的大地,拾起落在地上的那一塊黑金(糞便),分析一下就可以知道它的主人年方幾何。當然,前途仍然漫漫。

Source: m.cnbeta.com