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颠覆百年理论!《自然》最新研究:基因突变不是随机的

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学术经纬

2022-01-15 02:35

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▎药明康德内容团队编辑

自20世纪上半叶起,突变的随机性就一直是生物演化理论的重要基础。这个观点如同生物学领域的公理,对于生物学家建立演化模型、理解遗传多样性产生了深刻影响。现在,这个经典的观点受到一项全新研究的有力挑战。

在一篇发表于《自然》杂志的最新论文中,一支国际研究团队通过对模式植物拟南芥的研究提出,突变的诞生不是完全随机的,相反,突变出现的区域有着明显的规律性。这个发现从根本上改变了我们对于生命演化的理解,并且有望帮助科学家培育具有更优良性状的作物,甚至帮助人类对抗癌症。

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“我们总是认为突变是在基因组中随机出现的,”本文通讯作者,加州大学戴维斯分校的Grey Monroe教授表示,“但结果表明突变远不是随机的,而这种非随机的方式有利于植物生长。这也为我们理解突变提供了全新的方式。”

为了寻找突变背后是否存在更深层次的规律,研究团队对拟南芥进行了深入研究。由于具备基因组较小、易于培养且繁殖迅速等优点,这种样貌普通的“野草”已经成为应用范围最广的模式植物。

▲对拟南芥的研究让我们对生命演化产生了全新的认识(图片来源:Pádraic Flood)

以往人们认为,突变在基因组不同区域出现的频率不同,完全是随机突变之后自然选择的结果。在这项研究中,研究团队在受保护的实验室环境中种植拟南芥,这样的环境使得一些携带不利突变的个体也能存活,从而避免了自然选择的影响——在野外,这些突变导致的缺陷使得植株通常无法幸存。

随后,研究团队耗时3年,对数百株在这种环境中栽培的拟南芥进行了DNA测序。结果,他们一共发现了超过100万个突变。从如此众多的突变中,研究团队发现了怎样的规律?

“我们的发现似乎与现有理论相悖,后者认为最早的突变是完全随机的,只有自然选择能决定哪些突变这生物体内出现。”论文另一位通讯作者,德国马克斯·普朗克发育生物学研究所的Detlef Weigel博士表示。

相反,他们意外地发现基因组的一些特定区域突变率明显更低,尤其是对其生存起决定性作用的必需基因,例如参与细胞生长与基因表达的基因。相比于周围其他区域,基因体区域的突变率降低了50%以上,必需基因的突变率更是下降了三分之二。导致这些区域突变率差异的主要原因不是自然选择,而是表观基因组——超过90%的突变率差异都与表观基因组相关。

▲必需基因出现突变的频率更低(图片来源:参考资料 [1])

“这些在生物学中最重要的区域,恰好是受保护能避免突变的区域。” Monroe教授总结道。

这项研究的另一项发现是,包裹DNA的蛋白质的种类,可以很好地预测基因突变的可能性。“这意味着我们能预测哪些基因更可能发生突变。” Weigel博士说。

▲在基因组关键区域,对个体有害的突变明显减少(图片来源:参考资料 [1])

由此,这项研究向基于自然选择的演化理论提出挑战,并揭示了一个出人意料的现象:这些植物为了生存,演化出了保护其关键基因免遭突变的能力。Weigel博士说:“这一现象令人激动,我们最终将利用这些新发现思考,人类基因组应如何避免突变。”

从这些不起眼的野草中,一幅演化理论的全新画卷正徐徐展开。突变的产生或许并非此前公认的那样随机,而是存在着有利于个体生长的定向性。了解基因组中哪些区域更容易突变,将帮助科学家根据我们的需要,开发更符合要求的作物品种。更令人期待的是,从这个全新的规律中,未来的研究或许能以此为契机,为癌症等由基因突变引起的疾病开发新疗法。

封面图来源:123RF

参考资料:

[1] J. Grey Monroe et al., Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04269-6

[2] Study challenges evolutionary theory that DNA mutations are random. Retrieved Jan. 12, 2022, from https://www.broadinstitute.org/news/engineered-particles-efficiently-deliver-gene-editing-proteins-cells-mice

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