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环境在达尔文进化的自然选择过程中起着至关重要的作用。目前考虑用于新达尔文进化的主要分子成分涉及产生自然选择起作用所需的表型变异的遗传改变和随机突变。绝大多数环境因素不能直接改变 DNA 序列。表观遗传机制直接调节遗传过程，并且可以被环境因素显着改变。因此，环境表观遗传学提供了一种直接改变世代表型变异的分子机制。拉马克在 1802 年提出了环境可以以可遗传的方式直接改变表型的概念。环境表观遗传学和表观遗传跨代遗传为这一过程提供了分子机制。所以，环境可以在分子水平上直接影响表型变异。环境表观遗传学直接改变表型和基因型变异的能力可以显着影响自然选择。新拉马克概念可以促进新达尔文进化。提出了一个统一的进化理论来描述进化的环境表观遗传和遗传方面的整合。
关键词：表观遗传学，拉马克，达尔文，自然选择，环境，评论
问题部分： 观点
介绍
查尔斯达尔文的自然选择进化概念是现代生物学的统一主题（达尔文 1859）。值得注意的是，达尔文对这一过程所涉及的分子机制一无所知。达尔文的思想与过去一个世纪遗传和分子科学的进步相结合，促进了新达尔文进化论的发展（Olson-Manning et al. 2012））。当前进化分子基础的主要概念涉及遗传学和突变，例如随机 DNA 序列和染色体改变产生直接影响表型和表型变异的遗传变异。进化生物学中的大多数模型都将 DNA 序列突变作为遗传表型变异的主要分子机制（Laland et al. 2014）。进化理论中的一个难题是潜在有利基因突变的频率极低（Jablonka 和 Raz 2009 ; Day 和 Bonduriansky 2011 ; Kuzawa 和 Thayer 2011 ; Nei 和 Nozawa 2011 ; Laland et al. 2014 ））。尽管最近对微生物等生物的研究表明基因型变异已经足够（Levy and Siegal 2008 ; Avelar et al. 2013 ; Ho and Zhang 2014），但随机遗传漂移、遗传同化、定向突变和上位性等其他机制也发挥着重要作用。 ，仅靠遗传理论难以解释进化的某些方面（Laland et al. 2014）。例如，表型突变率和基因型突变率显着不同，遗传学一直是考虑的主要分子机制（Burger et al. 2006)，但包括表观遗传学等额外机制可以帮助解释这种不一致。仅考虑经典遗传学很难解释环境压力下基因型变异和快速进化现象的起源。进化生物学家的反对团体现在正在辩论是否需要“重新思考”该理论（Laland et al. 2014）。遗传学是经典新达尔文进化论（Olson-Manning et al. 2012）（表1和图1）中考虑的主要分子机制。
统一进化论
新拉马克概念 环境直接改变表型世代
达尔文进化论 自然选择作用于表型变异
新达尔文进化论 基因突变促进了自然选择作用的表型变异
统一进化论 环境表观遗传改变促进基因突变以改变基因型变异环境表观遗传学和基因突变都促进了自然选择作用的表型变异
除了进化方面的考虑外，还观察到了大量的生物现象，仅靠遗传学是无法轻易解释的。这些包括具有相似基因的同卵双胞胎通常患有不一致疾病（Zwijnenburg 等人 2010 ; Kratz 等人 2014 ; Tan 等人 2015），或者通常只发现一小部分疾病群体的事实具有相关的基因突变，或者许多疾病的频率在短短几十年内增加了一个数量级的事实，或者事实证明数百种无法改变 DNA 序列的环境污染物后来会改变疾病或表型在生活中（斯金纳 2014a）。许多生物学观察不遵循正常的孟德尔遗传规则，并且难以用经典的遗传过程或机制来解释（McClintock 1984）。进化中的一个例子是分子和形态进化的速率在很大程度上是分离的，这些表型差异模式是调节性的，而不是经典的基因突变（Janecka 等人，2012 年）。已经提出了复杂性状适应性进化中“复杂性诅咒”的表观遗传解决方案（Badyaev 2014）。
最近记录的可以显着影响基因组活性并导致表型变异的分子机制涉及表观遗传学（Skinner et al. 2010）。当表观遗传学被认为是一种额外的分子机制时，上面的许多现象可以更容易理解，例如同卵双胞胎的不一致（Zwijnenburg et al. 2010 ; Kratz et al. 2014 ; Tan et al. 2015）。Waddington (1953)创造了表观遗传学这个术语，Waddington (1953)和其他人 ( Skinner 2011 )的经典表观遗传定义是描述性的，而不了解分子元素 ( Skinner 2011)）。考虑到我们目前对分子的理解，表观遗传学被定义为“围绕 DNA 的分子过程，这些过程独立于 DNA 序列调节基因组活动并且在有丝分裂上是稳定的”（Skinner et al. 2010）。这些表观遗传机制包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质结构和选定的非编码 RNA (ncRNA) ( Skinner 2014a )。DNA 甲基化等表观遗传过程可以被编程（例如，印记）并可以代代相传（Skinner 2014a）。环境因素已被证明可促进表型变异的表观遗传跨代遗传。环境诱导的表型变化的表观遗传跨代遗传的几个例子已被证明可以遗传数百代（Cubas et al. 1999）。因此，与遗传变化一样，表观遗传变化可以在短期微进化中发挥重要作用（Day 和 Bonduriansky 2011），并有助于宏观进化（即处于或高于物种水平）过程，例如物种形成和适应性辐射（Rebollo 等al. 2010 ; Flatscher 等人 2012）。许多有见地的评论提出了表观遗传学在进化中的作用，主要是作为自然选择中的响应分子机制（Jablonka et al. 1998 ; Pigliucci 2007 ; Laland et al. 2014）。
环境与进化
多种环境因素会影响进化和一般生物学。这些范围从生态参数（例如温度和光照）到营养参数（例如热量限制或高脂肪饮食）。从植物化学物质到毒物的许多环境化学物质也会影响表型和健康（Skinner 2014a）。环境在自然选择和达尔文进化中起着关键作用（Darwin 1859）。自然选择是环境因素影响具有不同表型的个体的生存或繁殖成功的过程。当前进化生物学的范式认为，DNA 序列的变化是可以响应自然选择而进化的变异的基础（Laland 等人，2014 年）（表 1 )。尽管 James Baldwin 在 1896 年通过社会生物学类型机制（即行为）提出环境可以改变表型变异，但这些被认为是由于遗传变化并被认为是新达尔文过程（Baldwin 1896 ; Paenke et al. 2007）。因此，在新达尔文进化论中，环境与进化之间的主要联系是调解自然选择过程（Olson-Manning et al. 2012 ; Laland et al. 2014）。
相比之下，拉马克在 1802 年提出了一种早期进化理论，当时环境促进了与进化相关的表型改变（拉马克 1802 年；卡拉比 2001 年）。这与环境在自然选择中提供选择压力的作用不同，环境直接改变表型以影响进化。该理论被视为与达尔文的自然选择进化理论相冲突，因此被忽视，今天在现代进化理论或新达尔文进化论中并未认真考虑（Day and Bonduriansky 2011））。然而，如果有一种分子机制可以促进环境改变基因型和表型变异的能力，那么这种新拉马克概念可能会促进进化（表 1和图 1）。
有趣的是，达尔文（1868 年）本人是后天特征遗传的坚定支持者。通过自然选择将遗传和进化结合起来似乎是一个根本有缺陷的概念，它需要一个站不住脚的高突变率才能维持选择所需的性状变异（Jenkins 1867）。为了解决这个问题，Darwin (1868)提出了泛生，这是一种环境响应体细胞向后代传播的复杂理论。因此，达尔文在概念上支持拉马克的后天特征遗传理论，但直到最近 30 年，其潜在的分子机制尚不清楚。
环境表观遗传学
表观遗传学为环境提供了直接改变表型变异及其后续遗传的分子机制（Crews et al. 2007 ; Skinner, Gurerrero-Bosagna, Haque, et al. 2014）。已经确定了多种表观遗传机制，包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质结构和选定的 ncRNA。所有这些机制都具有编程和改变基因表达的能力，并且已被证明在正常发育和生物过程中具有关键作用（Skinner et al. 2010 ; Skinner 2014a）。例如，产生胚胎干细胞的能力需要消除 DNA 甲基化，从而使细胞具有多能性（Seisenberger 等人，2013 年））。尽管绝大多数环境因素不能改变 DNA 序列，但表观遗传过程可以根据从营养到温度的环境因素发生显着改变（Skinner 2014a）。已研究的所有生物体都包含高度保守的表观遗传过程（例如 DNA 甲基化），可以对其进行环境修饰（Skinner 2014a）。表观遗传学提供了一种与遗传学相结合的额外分子机制来调节生物学。
环境直接改变细胞和组织的发育和功能的能力对于个体的健康和表型至关重要。这种对个体的直接环境表观遗传效应可能对进化的影响有限，除非表观遗传变化可以在几代人之间传递。从营养到毒物的大量环境因素已被证明可诱导疾病和表型变异的表观遗传跨代遗传（Skinner 2014a）。表观遗传跨代遗传被定义为在没有直接暴露的情况下，表观遗传信息在几代人之间的种系传递（Skinner et al. 2010））。在生殖系发育、胎儿性腺性别决定或配子发生的关键时期暴露于环境中，已被证明会永久性地编程表观遗传标记，例如 DNA 甲基化 ( Skinner 2014a )。营养 ( Pembrey et al. 2006 ; Burdge et al. 2011 )、温度 ( Song et al. 2013 )、压力 ( Skinner 2014b ) 和毒物 ( Anway et al. 2005 ; Skinner 2014a ) 都被证明可以促进表观遗传表型变异的跨代遗传（Skinner 2014a）。这种现象已在植物、昆虫、鱼类、啮齿动物、猪和人类中观察到（Skinner 2014a）。在哺乳动物中，已经观察了几代人的跨代表型改变（Skinner 2014a），环境诱导的植物表型变异的表观遗传跨代遗传可以传递数百代（Cubas et al. 1999）。因此，环境可以促进表型变异的表观遗传跨代遗传。环境改变表型和改变表型变异的能力，独立于遗传，通过这种表观遗传机制被认为对进化很重要（Anway et al. 2005 ; Jablonka and Raz 2009 ; Day and Bonduriansky 2011 ; Kuzawa and Thayer 2011 ; Skinner 2014a）。
达尔文提出进化的关键决定因素之一是性选择（Darwin 1859）。先前的一项研究调查了环境因素（毒物）促进与性选择相关的配偶偏好改变的表观遗传跨代遗传的能力（克鲁斯等人，2007 年）。将 F0 代妊娠雌性大鼠暂时暴露于农用杀菌剂万氯唑林，然后获取 F3 代动物（曾孙）以评估择偶行为的改变（Anway 等人，2005 年）。观察到配偶偏好的显着改变（Crews 等人，2007 年）以及生殖系（精子）中的表观遗传改变（称为表观突变）（Guerrero-Bosagna 等。2010 年）。大脑区域的跨代转录组变化与择偶行为的改变相关（Skinner et al. 2008）。因此，发现改变性选择的环境因素以一种类似印记的方式促进精子表观基因组的永久性改变，这种方式可以遗传多代（Crews 等人，2007 年；Skinner 等人，2010 年）。这些研究表明环境表观遗传学可能在进化变化中发挥重要作用。表观遗传学在配偶选择和进化中的作用已经得到进一步讨论（Zeh JA 和 Zeh DW 2008 ; Bonduriansky 和 u200bu200bDay 2013 ））。事实上，最近的一些评论建议在微观进化和宏观进化表观遗传学（一个角色亚布隆卡和2009年拉兹; Rebollo的等2010 ; Skinner等人2010 ;日和2011年Bonduriansky ; Kuzawa和2011年塞耶; Flatscher等人2012 ; Klironomos等人 2013 年；Badyaev 2014 年；Jaeger 和 Monk 2014 年；Skinner 2014a）。
统一理论
环境表观遗传学和表观遗传跨代遗传为环境因素直接改变表型的新拉马克概念提供了分子机制（表 1）。环境表观遗传学改变表型变异的能力为进化提供了初始要素，其中环境可以直接在种群中建立变异和表型（图 1）。尽管原始拉马克进化论的某些方面并不准确（拉马克 1802），例如在一代人内“定向”表型（Koonin and Wolf 2009 ; Koonin 2014）)，环境可以直接影响表型的概念得到环境和跨代表观遗传研究的支持（Crews 等人 2007 年；Koonin 和 Wolf 2009 年；Koonin 2014 年；Skinner、Gurerrero-Bosagna、Haque 等人 2014 年）。因此，统一理论的第一个方面涉及环境影响表观遗传编程以改变表型变异的能力（图 1）。
达尔文进化论的公认方面是环境通过自然选择对进化事件中的表型变异起作用的能力（达尔文 1859 年；奥尔森-曼宁等人 2012 年）。经典的新达尔文主义观点认为基因突变和遗传变异是产生表型变异的主要分子机制（Nei and Nozawa 2011 ; Olson-Manning et al. 2012）（表 1））。尽管表观遗传学也可以在表型变异的建立和维持中发挥关键作用，但表型的基因突变和基因型将是至关重要的。这种新达尔文式的进化自然选择事件是统一理论的另一个组成部分（图 1）。
环境表观遗传对表型变异的影响和环境介导自然选择的能力的结合对进化都很重要。因此，这种新拉马克式的概念促进了新达尔文式的进化（图 1）。这种统一的理论提供了对进化的分子方面的扩展理解和快速进化现象机制等问题的解决方案。环境影响进化的机制也得到了扩展。表观遗传学和遗传学的整合对于我们未来对进化分子方面的理解至关重要（Jablonka and Raz 2009 ; Day and Bonduriansky 2011 ; Laland et al. 2014 ; Skinner 2014a）。
另一个重要的考虑因素涉及表观遗传过程促进基因突变的能力（表 1）。在癌症生物学中，改变的表观遗传学已被证明会促进基因组不稳定性和基因突变的形成（Feinberg 2004）。几乎所有的基因突变都可以直接受到表观遗传过程的影响。最常见的点突变（单核苷酸多态性）是由 CpG DNA 甲基化促进的 C 到 T 转换（Jones et al. 1992）。基因组中的重复元件在扩展时会产生拷贝数变异 (CNV)，这些变异由 DNA 的超甲基化控制 ( Liu et al. 2012 )。DNA 的超甲基化也会使转座元件沉默（Yagi et al. 2012）。易位事件和倒位也受组蛋白修饰、DNA 甲基化和 ncRNA 的影响（Solary et al. 2014）。因此，表观遗传学可以直接影响基因突变，基因型变异的起源受环境表观遗传改变的影响（表1）。相比之下，基因突变已被证明会影响表观遗传学（Furey and Sethupathy 2013）。最近，我们发现环境诱导的疾病和表型变异的表观遗传跨代遗传可以促进后代的基因突变（即 CNV）（Skinner MK、Guerrero-Bosagna C、Haque MM，未发表的数据）。因此，环境表观遗传学不仅可以促进表型变异的增加，而且表观遗传学还可以驱动遗传变化并增加基因型变异。这在统一进化论中也需要考虑（图1）。
讨论
环境表观遗传学和表观遗传跨代遗传改变了可以通过自然选择作用的表型变异。因此，环境表观遗传学可以直接影响表型，这种新拉马克概念可以促进自然选择和新达尔文进化。进化的这些不同方面不应被视为相互冲突，而是可以形成一个统一的进化理论（图 1））。这种对进化分子方面的扩展理解为快速进化事件的机制提供了新的见解。还提供了对环境如何影响进化的扩展理解。统一理论提供了新的考虑，即环境既可以直接影响表型变异，也可以直接促进自然选择（图 1）。以前的进化模型主要将遗传和突变视为进化的主要分子驱动因素（Nei 和 Nozawa 2011；Olson-Manning 等，2012；Laland 等，2014）。最近，许多模型也开始在这些进化模型中考虑表观遗传学（Rebollo 等人，2010; 斯金纳等人。2010 年；戴和邦杜里安斯基 2011 年；Kuzawa 和 Thayer 2011 年；Flatscher 等人。2012 年；Klironomos 等。2013 年；巴德亚耶夫 2014 年；贾布隆卡和羔羊 2014 年；耶格和僧侣 2014 年）。例如，将表观遗传学作为一种额外的分子机制，有助于理解遗传漂变（Gordon et al. 2012）、遗传同化（Zuckerkandl and Cavalli 2007）和定向突变（Jablonka and Lamb 2007；Kryazhimskiy et al. 2014））。表观遗传学的考虑也可用于通过稳健性（Ohta 2011）等机制更好地理解中性进化（Kimura 1989）。统一理论表明，应该考虑的其他变量是环境的多重作用以及表观遗传学与未来进化模型的整合。
表型变异的表观遗传跨代遗传将在微观进化和宏观进化变化中发挥重要作用，包括物种形成。最近的一项研究旨在调查与达尔文雀科系统发育距离相关的表观遗传变化 ( Skinner, Gurerrero-Bosagna, Haque, et al. 2014 )，这是一个众所周知的适应性辐射例子 ( Darwin 1859 ; Lack 1947 ; Burns et al. . 2002 ; Grant and Grant 2008 ; Huber et al. 2010 ; Donohue 2011）。从系统发育相关性不同的五种同域达尔文雀类中获得红细胞 DNA。使用 CNV 将基因突变的全基因组改变与与差异 DNA 甲基化区域（表观突变）相关的表观遗传改变进行了比较（Skinner、Gurerrero-Bosagna、Haque 等人，2014 年）。在不同物种中观察到的表观突变多于基因突变，表观突变的数量随着系统发育距离的增加而增加。数量、染色体u200bu200b位置、区域聚类和表观突变的重叠表明表观遗传变化可能在达尔文雀的物种形成和进化中起作用（Skinner、Gurerrero-Bosagna、Haque 等人，2014 年））。许多其他观察结果也支持表观遗传学和物种形成的作用。使用果蝇和母系遗传的 ncRNA 沉默转座子，讨论了表观遗传学和物种形成的作用（Brennecke 等人，2008 年）。还提出了表观遗传学和间断平衡在转座因子动员中的作用（Zeh 等人，2009 年）。一项比较尼安德特人和人类 DNA 甲基化图谱的有趣研究也支持表观遗传学在物种形成 ( Gokhman et al. 2014 ) 和进化中的作用。
尽管在达尔文雀类适应性辐射 ( Skinner, Gurerrero-Bosagna, Haque, et al. 2014 ) 或其他模型 ( Brennecke et al. 2008 ; Zeh et al. 2009 ; Gokhman et al. 2014 )中并未建立表观突变的因果作用)，全基因组基因突变的因果作用也尚未确定（Laland et al. 2011）。未来的研究需要关注表观遗传改变与自然选择作用的表型变异之间的因果关系。遗传学和基因突变对进化至关重要，但它们并不是唯一需要考虑的分子因素。尽管生物科学的主要范式是遗传决定论，但该范式在解释从疾病病因学的分子基础 ( Skinner 2014a ) 到自然选择进化的某些方面 ( Skinner et al. 2010 ; Day 和 Bonduriansky 2011；Longo 等人 2012）。正如托马斯·库恩（Thomas Kuhn）在科学革命期间建议的那样，当当前范式揭示异常时，需要考虑新科学（库恩 1962 年）。这种对当前范式的挑战也得到了其他科学哲学的支持，例如 Popper ( Rieppel 2008 ) 和 Macintyre ( MacIntyre 1977 )。需要范式转变来解释遗传学和表观遗传学如何整合以调节基因组活动和进化，这些进步将需要纳入未来的进化生物学建模（Rebollo 等人 2010 ; Skinner 等人 2010 ; Day and Bonduriansky 2011 ; Kuzawa和 Thayer，2011 年；Flatscher 等人，2012 年; Klironomos 等。2013 年；巴德亚耶夫 2014 年；贾布隆卡和羔羊 2014 年；积家和僧侣 2014 年；Skinner 2014a ) 和理论。
概括
环境表观遗传学与进化理论的分子方面的整合表明了促进新达尔文进化的新拉马克概念。下面总结了几个需要考虑的新因素。关于新拉马克概念：如图 1所示，这些概念和组成部分有助于形成一个统一的理论，将环境表观遗传学整合到进化的分子方面。需要注意的是，遗传学或表观遗传学并不占主导地位，但是这两个分子过程整合以调节生物学。
环境表观遗传学为拉马克的提议提供了分子机制，即环境可以以可遗传的方式直接改变表型。
关键发育窗口的环境暴露促进了改变表型变异的种系（例如精子）表观突变的表观遗传跨代遗传。
发育中的体细胞组织的直接环境暴露可以改变暴露个体的体细胞表观基因组和表型，但这不会是可遗传的，并且表型通常与跨代表型不同。
关于新达尔文进化论的新方面：
跨代种系表观突变改变了基因组的稳定性，以促进后代的基因突变和基因型变异。
表型变异源于自然选择作用的综合遗传和表观遗传过程的组合。
环境在自然选择以及可遗传适应性表型变异的诱导中具有关键作用。
此前，发现环境暴露促进表型特征的表观遗传跨代遗传，例如择偶偏好，这在进化中可以发挥重要作用（Crews et al. 2007 ; Skinner 2014a）。随后一些评论建议在进化表观遗传学的作用（亚布隆卡和2009年拉兹; Rebollo的等2010 ; Skinner等人2010 ;日和2011年Bonduriansky ; Kuzawa和塞耶2011 ; 。Flatscher等2012）和实验模型显示表观遗传相关基因（Mihola et al. 2009）和分子元素（Long et al. 2013）的重要性; 斯金纳、古雷罗-博萨尼亚、哈克等人。2014 年）在进化中。当前的报告扩展了这些研究，以提出一个统一的理论，该理论结合了新拉马克主义和新达尔文主义的两个方面，并扩展了我们对环境如何影响进化的理解。表观遗传学和遗传学的整合对于包括进化在内的所有生物学领域都至关重要。
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