颠覆百年理论！《自然》最新研究：基因突变不是随机的

▎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。

“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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