顛覆百年理論！《自然》最新研究：基因突變不是隨機的
時間：2022-01-14 14:32:00 來源： 學術經緯 點擊：
自20世紀上半葉起，突變的隨機性就一直是生物演化理論的重要基礎。這個觀點如同生物學領域的公理，對于生物學家建立演化模型、理解遺傳多樣性產生了深刻影響?，F在，這個經典的觀點受到一項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，一支國際研究團隊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的，相反，突變出現的區(qū)域有著明顯的規(guī)律性。這個發(fā)現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。
“我們總是認為突變是在基因組中隨機出現的，”本文通訊作者，加州大學戴維斯分校的Grey Monroe教授表示，“但結果表明突變遠不是隨機的，而這種非隨機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，研究團隊對擬南芥進行了深入研究。由于具備基因組較小、易于培養(yǎng)且繁殖迅速等優(yōu)點，這種樣貌普通的“野草”已經成為應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生了全新的認識（圖片來源：Pádraic Flood）
以往人們認為，突變在基因組不同區(qū)域出現的頻率不同，完全是隨機突變之后自然選擇的結果。在這項研究中，研究團隊在受保護的實驗室環(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，這些突變導致的缺陷使得植株通常無法幸存。
隨后，研究團隊耗時3年，對數百株在這種環(huán)境中栽培的擬南芥進行了DNA測序。結果，他們一共發(fā)現了超過100萬個突變。從如此眾多的突變中，研究團隊發(fā)現了怎樣的規(guī)律？
“我們的發(fā)現似乎與現有理論相悖，后者認為最早的突變是完全隨機的，只有自然選擇能決定哪些突變這生物體內出現。”論文另一位通訊作者，德國馬克斯·普朗克發(fā)育生物學研究所的Detlef Weigel博士表示。
相反，他們意外地發(fā)現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，例如參與細胞生長與基因表達的基因。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。
▲必需基因出現突變的頻率更低（圖片來源：參考資料 [1]）
“這些在生物學中最重要的區(qū)域，恰好是受保護能避免突變的區(qū)域。” Monroe教授總結道。
這項研究的另一項發(fā)現是，包裹DNA的蛋白質的種類，可以很好地預測基因突變的可能性。“這意味著我們能預測哪些基因更可能發(fā)生突變。” Weigel博士說。
▲在基因組關鍵區(qū)域，對個體有害的突變明顯減少（圖片來源：參考資料 [1]）
由此，這項研究向基于自然選擇的演化理論提出挑戰(zhàn)，并揭示了一個出人意料的現象：這些植物為了生存，演化出了保護其關鍵基因免遭突變的能力。Weigel博士說：“這一現象令人激動，我們最終將利用這些新發(fā)現思考，人類基因組應如何避免突變。”
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。突變的產生或許并非此前公認的那樣隨機，而是存在著有利于個體生長的定向性。了解基因組中哪些區(qū)域更容易突變，將幫助科學家根據我們的需要，開發(fā)更符合要求的作物品種。更令人期待的是，從這個全新的規(guī)律中，未來的研究或許能以此為契機，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
