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，對於生物學家建立演化模型、理解遺傳多樣性產生了深刻影響。現在，這個經典的觀點受到一項全新研究的有力挑戰。
在一篇發表於《自然》雜誌的最新論文中，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，突變出現的區域有着明顯的規律性。這個發現從根本上改變了我們對於生命演化的理解，並且有望幫助科學家培育具有更優良性狀的作物，甚至幫助人類對抗癌症。
“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於植物生長。這也為我們理解突變提供了全新的方式。”
為了尋找突變背後是否存在更深層次的規律，研究團隊對擬南芥進行了深入研究。由於具備基因組較小、易於培養且繁殖迅速等優點，這種樣貌普通的“野草”已經成為應用範圍最廣的模式植物。
以往人們認為，突變在基因組不同區域出現的頻率不同，完全是隨機突變之後自然選擇的結果。在這項研究中，研究團隊在受保護的實驗室環境中種植擬南芥，這樣的環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倖存。
隨後，研究團隊耗時3年，對數百株在這種環境中栽培的擬南芥進行了DNA測序。結果，他們一共發現了超過100萬個突變。從如此眾多的突變中，研究團隊發現了怎樣的規律？
“我們的發現似乎與現有理論相悖，後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·普朗克發育生物學研究所的Detlef Weigel博士表示。
相反，他們意外地發現基因組的一些特定區域突變率明顯更低，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。相比於周圍其他區域，基因體區域的突變率降低了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。
“這些在生物學中最重要的區域，恰好是受保護能避免突變的區域。” Monroe教授總結道。
這項研究的另一項發現是，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。“這意味着我們能預測哪些基因更可能發生突變。” Weigel博士說。
由此，這項研究向基於自然選擇的演化理論提出挑戰，並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。突變的產生或許並非此前公認的那樣隨機，而是存在着有利於個體生長的定向性。了解基因組中哪些區域更容易突變，將幫助科學家根據我們的需要，開發更符合要求的作物品種。更令人期待的是，從這個全新的規律中，未來的研究或許能以此為契機，為癌症等由基因突變引起的疾病開發新療法。
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
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