基因突變不是隨機(jī)的？！Nature最新論文挑戰(zhàn)進(jìn)化論

博雯 2022-01-14 15:33:12 來源：量子位

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基因突變，不是隨機(jī)的？

這與當(dāng)前教材里的結(jié)論，截然相反。

還記得中學(xué)生物課本里一眾白眼果蠅、白毛小牛、或者長頸鹿、短頸鹿嗎？

在這些例子中，突變要么由外界人為導(dǎo)致，要么就是隨機(jī)，要靠自然選擇決定哪些突變會出現(xiàn)在生物體內(nèi)。

但現(xiàn)在，一篇刊登在Nature上的最新論文，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了這樣一個(gè)顛覆性的觀點(diǎn)：

突變出現(xiàn)的基因組區(qū)域有著明顯的規(guī)律性，并非隨機(jī)！

比如說，在對生存起決定性作用的必需基因區(qū)域，其突變率就幾乎下降了2/3。

論文開門見山地表示：這種近似于生物體為了生存而“主觀控制”基因突變的行為，和上述物競天擇、隨機(jī)突變的自然選擇是相悖的。

現(xiàn)在，這一研究不僅震動了科研圈，在推特上也引發(fā)了熱烈的討論：

而且這種顛覆性結(jié)論，還與用進(jìn)廢退的拉馬克主義聯(lián)系在一起。

有網(wǎng)友甚至直接發(fā)問：

這是要為拉馬克主義平反了嗎？

從植物擬南芥上找到答案

這篇論文由兩所機(jī)構(gòu)合作完成，分別是美國加州大學(xué)戴維斯分校和德國馬普所，都不是泛泛之輩。

為了弄清楚基因突變背后的深層規(guī)律，科學(xué)家們花了3年時(shí)間，研究了超過100萬個(gè)基因突變。

所有突變數(shù)據(jù)，都來自一種叫做擬南芥的植物，被科學(xué)家喻為“植物中的果蠅”。

這種植物由于植株小、結(jié)果多、生命周期短、基因組簡單、遺傳操作簡便（相比人類高達(dá)30億個(gè)的堿基對，它只有1.2億個(gè)），是進(jìn)行遺傳學(xué)研究的理想材料。

這些植物在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行栽培，到了第25代，每個(gè)品系已經(jīng)有了40株幼苗。

然后就在這些幼苗生長到2周齡的四葉期時(shí)進(jìn)行取樣，用基因數(shù)據(jù)分析軟件（GATK HaplotypeCaller12）進(jìn)行基因變異點(diǎn)查找和分析。

令人驚訝的是，在這些突變中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)其模式和預(yù)期不太一樣。

具體來說，基因組的一些特定區(qū)域突變率明顯更低：比其他區(qū)域降低了50%以上。

而這些突變率更低的區(qū)域中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)主要是一些關(guān)乎細(xì)胞生長和基因表達(dá)的必須基因（essential genes），它們的突變率下降了2/3。

質(zhì)疑：幸存者偏差？

這也就意味著，DNA突變，并不隨機(jī)。

至于為何各個(gè)位置基因突變概率不同，作者并沒有給出根本的原因——

究竟是本身這段DNA不易突變，還是后期DNA修復(fù)對這一段特別有效，暫未可知。

但這樣的結(jié)果，還是對被奉為圭臬的達(dá)爾文進(jìn)化論，提出了新的挑戰(zhàn)。

此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，通過包裹DNA的蛋白質(zhì)的種類，可以很好地預(yù)測哪些基因比其他基因更有可能發(fā)生變異。

這種發(fā)現(xiàn)的影響，也令人振奮。

因?yàn)橐坏┱莆辗椒?，可以用基因突變培育出更好的作物，還可以幫助科學(xué)家開發(fā)新的方法，來治療突變引起的癌癥。

質(zhì)疑：幸存者偏差？

這篇論文的通訊作者為J.Grey Monroe，加州大學(xué)戴維斯分校植物科學(xué)系助理教授，2019年畢業(yè)于科羅拉多州立大學(xué)博士學(xué)位。

而他發(fā)布這一研究成果的個(gè)人推特下引來了極為廣泛的討論，一個(gè)最直接的質(zhì)疑就是：

你怎么保證這不是一種幸存者偏差？

這是一張解釋幸存者偏差的非常經(jīng)典的“飛機(jī)機(jī)身彈孔”圖：

從機(jī)身上不同位置的彈孔數(shù)判斷，中彈最嚴(yán)重的機(jī)翅應(yīng)該被加固，而沒有多少彈孔的機(jī)艙則不需要。但事實(shí)上，打中機(jī)艙飛機(jī)會直接墜毀，根本就沒有再回來被統(tǒng)計(jì)彈孔數(shù)量的機(jī)會。

這條評論背后，質(zhì)疑的是：

實(shí)驗(yàn)測量的是存活個(gè)體，那些嚴(yán)重危害生存的突變個(gè)體可能根本就沒活下來，所以測得的結(jié)果都是非致命突變。

還有，參與基因表達(dá)、個(gè)體發(fā)展、組織分化的表觀基因組可能會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的“突變率”。

有不少評論也提出了相似的觀點(diǎn)，認(rèn)為論文所說的的突變率更低的基因組區(qū)域，或許本來就是保守的，不易變異的區(qū)域。

比如說保守序列（Conserved Sequences）就是一種在進(jìn)化過程中保留下來的特定序列，不易變異，一般可以上推到物種進(jìn)化初期。

而由于作者自己提出：我們的發(fā)現(xiàn)似乎與現(xiàn)有的“最早的突變隨機(jī)”的理論相悖，有人還想到了生物學(xué)上那個(gè)著名的“用進(jìn)廢退”理論，問到：

這是要給拉馬克平反？

拉馬克最出名的就是他“用進(jìn)廢退”的觀點(diǎn)，即生物經(jīng)常使用的器官會逐漸發(fā)達(dá)，而不使用的器官會逐漸退化。

換句話說，也就是先選擇，再變異。

對此，通訊作者Grey Monroe在一篇后續(xù)的會議文檔中肯定地回復(fù)道：

這并非本篇論文的主題。

他表示，這項(xiàng)研究只是通過實(shí)驗(yàn)證明了在某些情況下，突變是非隨機(jī)性的，并且是具有環(huán)境適應(yīng)性的，這為生命進(jìn)化的研究提供了新的證據(jù)和思路。

不過Grey Monroe也在最后表示，從歷史上來看，“突變是隨機(jī)的”顯然是一個(gè)過于簡單的斷言，或者“糟糕的假設(shè)”，而他很高興這篇論文引發(fā)了對這一理論的廣泛討論。

論文：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04269-6

參考鏈接：
[1]https://twitter.com/Grey_Monroe
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220112121512.htms/2022/01/220112121512.htm