Nature：突变非随机！进化或有方向性与目的性

　　如果说，进化是有方向的，那就是在挑战进化论的主流观点。这个具有百年历史的观点一直主张随机变异与自然选择。那么，DNA突变就是在基因组中是随机发生的。因此，用“演化”代替“进化”更能体现其无方向性和无目的性。

　　美国加州大学戴维斯分校的植物科学家Grey Monroe说：“我们曾经也一直认为基因突变是随机发生的。然而事实证明，突变是非随机的，至少对模式植物拟南芥（路边的野草）来说，突变在某种程度上还帮助了它们。”

　　这是一种关于突变的全新思维。

　　近日，发表在《Nature》上的一项新研究中，Monroe与德国马克斯普朗克发育生物学研究所Detlef Weigel教授等人领导的研究团队提供了新的证据表明DNA突变并不是随机的，而且在突变方面，也并非所有DNA都是平等的。该研究挑战了长期以来关于突变随机性的范式，有助于科学家培育出更好的作物，甚至还能帮助人类对抗癌症。

　　突变这个词，大家都不陌生，因这两年它经常会被提及。突变是指生物体、病毒或染色体外DNA基因组核苷酸序列的改变。

　　要发生基因突变，必须要完成几件事。首先，肩负将遗传物质传递给后代任务的生殖细胞中的DNA必须发生损伤（暴露于辐射或致癌物，或基因丢失，或遗传物质在复制出错导致整个染色体混乱），这将涉及到DNA序列中单个“字母”发生改变。

　　随后，DNA损伤必须避开一些可以防止这种变化被转移的细胞机制，包括DNA修复，或者应对极端突变的程序性细胞死亡，即细胞凋亡。

　　如果突变避开了这些过程，它就可以遗传给下一代。

　　大多数包含单个“字母”变化的突变是中性的，因为它们不会引起生物体形态或功能的任何重大变化。但对于那些确实会导致变化的突变来说，它们是否能延续到下一代，可能就取决于自然选择了。

　　正是基于这一点，进化被认为完成了在好的突变和坏的突变之间的大部分筛选。例如，如果一种突变阻碍了一种植物或动物的生存，它就不可能长期存在。

　　虽然选择的力量可以限制哪些突变在代际间传递，但突变本身通常被视为生物体基因库中不可预测的掷骰子行为。

　　因此，自20世纪上半叶以来，进化论一直被突变是随机发生的观点所主导。

　　为了验证突变随机分布于整个基因组的假设，研究人员用了三年时间对400种模式植物拟南芥（植物中的小白鼠）进行了研究。之所以选择拟南芥，是因为它们的基因组非常小，仅有约1.2亿碱基对；相比之下，人类约有30亿碱基对。

　　研究人员在实验室环境中种植了这些拟南芥标本，使具有缺陷而在自然界中无法生存的拟南芥能够在受控环境中生存。

　　通过对这几百种拟南芥测序，研究人员发现了超过100万个突变，这些突变并没有显示出是随机分布的，相反，它们揭示了一种非随机突变模式。

　　这完全颠覆了过去的主流理论。研究人员发现，这些突变不仅不是随机的，而且在那些重要区域，基因突变的频率会更低。例如，在基因内的突变频率减少了约一半；而在那些必需基因中，突变频率更是减少了三分之二。这些区域是基因组中真正重要的区域，在生物学上最重要的区域是受保护免于突变的。这些区域对新突变的有害影响非常敏感，因此，DNA损伤修复在这些区域特别有效。

　　无论他们观察序列的编码部分还是非编码部分，结果都是如此，这表明这种影响是由整个区域控制的，而非特定类型的DNA。

　　更重要的是，这些数据还揭示了表观遗传因素。研究人员发现，DNA被不同类型蛋白质包裹的方式可以很好地预测基因是否会发生突变，这意味着可以预测哪些基因比其他基因更有可能发生突变。此前已经有明确的证据表明DNA修复是针对活跃的基因区域，这项新研究也支持了这一点。

　　研究人员表示，了解拟南芥在基因突变方面的偏好不仅对其他植物有意义，而且对了解几乎所有物种的进化和疾病也有意义。

　　研究通讯作者、马克斯普朗克发育生物学研究所科学主任Detlef Weigel说：“这种植物（拟南芥）已进化出一种方法来保护它最重要的地方不会受到突变的影响。这令人兴奋，因为我们甚至可以利用这些发现来思考如何保护人类基因免于突变。”

　　这些发现表明，自然选择扭曲了生物体基因库中发生突变的概率。虽然单个突变的后果确实仍然是随机的，但在整个基因组中发生突变的区域是偏向于有利于生物体生存的。

　　总之，这项研究对驱动自然变异模式的力量提供了新的见解，并挑战了长期以来关于突变随机性的范式，并为生物学和进化突变理论的实践研究提供了未来方向。

　　论文链接：

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