顛覆百年理論！《自然》最新研究：基因突變不是隨機(jī)的
時(shí)間：2022-01-14 14:32:00 來源： 學(xué)術(shù)經(jīng)緯 點(diǎn)擊：
自20世紀(jì)上半葉起，突變的隨機(jī)性就一直是生物演化理論的重要基礎(chǔ)。這個(gè)觀點(diǎn)如同生物學(xué)領(lǐng)域的公理，對于生物學(xué)家建立演化模型、理解遺傳多樣性產(chǎn)生了深刻影響?，F(xiàn)在，這個(gè)經(jīng)典的觀點(diǎn)受到一項(xiàng)全新研究的有力挑戰(zhàn)。
在一篇發(fā)表于《自然》雜志的最新論文中，一支國際研究團(tuán)隊(duì)通過對模式植物擬南芥的研究提出，突變的誕生不是完全隨機(jī)的，相反，突變出現(xiàn)的區(qū)域有著明顯的規(guī)律性。這個(gè)發(fā)現(xiàn)從根本上改變了我們對于生命演化的理解，并且有望幫助科學(xué)家培育具有更優(yōu)良性狀的作物，甚至幫助人類對抗癌癥。
“我們總是認(rèn)為突變是在基因組中隨機(jī)出現(xiàn)的，”本文通訊作者，加州大學(xué)戴維斯分校的Grey Monroe教授表示，“但結(jié)果表明突變遠(yuǎn)不是隨機(jī)的，而這種非隨機(jī)的方式有利于植物生長。這也為我們理解突變提供了全新的方式。”
為了尋找突變背后是否存在更深層次的規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)對擬南芥進(jìn)行了深入研究。由于具備基因組較小、易于培養(yǎng)且繁殖迅速等優(yōu)點(diǎn)，這種樣貌普通的“野草”已經(jīng)成為應(yīng)用范圍最廣的模式植物。
▲對擬南芥的研究讓我們對生命演化產(chǎn)生了全新的認(rèn)識(shí)（圖片來源：Pádraic Flood）
以往人們認(rèn)為，突變在基因組不同區(qū)域出現(xiàn)的頻率不同，完全是隨機(jī)突變之后自然選擇的結(jié)果。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)在受保護(hù)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中種植擬南芥，這樣的環(huán)境使得一些攜帶不利突變的個(gè)體也能存活，從而避免了自然選擇的影響——在野外，這些突變導(dǎo)致的缺陷使得植株通常無法幸存。
隨后，研究團(tuán)隊(duì)耗時(shí)3年，對數(shù)百株在這種環(huán)境中栽培的擬南芥進(jìn)行了DNA測序。結(jié)果，他們一共發(fā)現(xiàn)了超過100萬個(gè)突變。從如此眾多的突變中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了怎樣的規(guī)律？
“我們的發(fā)現(xiàn)似乎與現(xiàn)有理論相悖，后者認(rèn)為最早的突變是完全隨機(jī)的，只有自然選擇能決定哪些突變這生物體內(nèi)出現(xiàn)。”論文另一位通訊作者，德國馬克斯·普朗克發(fā)育生物學(xué)研究所的Detlef Weigel博士表示。
相反，他們意外地發(fā)現(xiàn)基因組的一些特定區(qū)域突變率明顯更低，尤其是對其生存起決定性作用的必需基因，例如參與細(xì)胞生長與基因表達(dá)的基因。相比于周圍其他區(qū)域，基因體區(qū)域的突變率降低了50%以上，必需基因的突變率更是下降了三分之二。導(dǎo)致這些區(qū)域突變率差異的主要原因不是自然選擇，而是表觀基因組——超過90%的突變率差異都與表觀基因組相關(guān)。
▲必需基因出現(xiàn)突變的頻率更低（圖片來源：參考資料 [1]）
“這些在生物學(xué)中最重要的區(qū)域，恰好是受保護(hù)能避免突變的區(qū)域。” Monroe教授總結(jié)道。
這項(xiàng)研究的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是，包裹DNA的蛋白質(zhì)的種類，可以很好地預(yù)測基因突變的可能性。“這意味著我們能預(yù)測哪些基因更可能發(fā)生突變。” Weigel博士說。
▲在基因組關(guān)鍵區(qū)域，對個(gè)體有害的突變明顯減少（圖片來源：參考資料 [1]）
由此，這項(xiàng)研究向基于自然選擇的演化理論提出挑戰(zhàn)，并揭示了一個(gè)出人意料的現(xiàn)象：這些植物為了生存，演化出了保護(hù)其關(guān)鍵基因免遭突變的能力。Weigel博士說：“這一現(xiàn)象令人激動(dòng)，我們最終將利用這些新發(fā)現(xiàn)思考，人類基因組應(yīng)如何避免突變。”
從這些不起眼的野草中，一幅演化理論的全新畫卷正徐徐展開。突變的產(chǎn)生或許并非此前公認(rèn)的那樣隨機(jī)，而是存在著有利于個(gè)體生長的定向性。了解基因組中哪些區(qū)域更容易突變，將幫助科學(xué)家根據(jù)我們的需要，開發(fā)更符合要求的作物品種。更令人期待的是，從這個(gè)全新的規(guī)律中，未來的研究或許能以此為契機(jī)，為癌癥等由基因突變引起的疾病開發(fā)新療法。
封面圖來源：123RF
參考資料：
[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
