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《Nature》挑战进化DNA突变理论!

   

Arabidopsis

    

通过研究一种小型开花杂草叶菜的基因组,我们对DNA突变有了新的认识


根据加州大学戴维斯分校和德国马克斯·普朗克发育生物学研究所的最新研究,一种简单的路边杂草可能是理解和预测DNA突变的关键。

这项研究结果发表在1月12日的《Nature》杂志上,从根本上改变了我们对进化的理解,有一天可能帮助研究人员培育出更好的作物,甚至帮助人类对抗癌症。

突变发生在DNA受损且未修复时,产生了新的变异。科学家们想知道突变是纯粹随机的还是更深层次的。他们的发现出乎意料。

“我们一直认为基因突变基本上是随机的,”加州大学戴维斯分校植物科学系助理教授格雷·门罗(Grey Monroe)说,他是这篇论文的第一作者。“事实证明,突变是非随机的,在某种程度上是非随机的,对植物有益。这是一种全新的思考突变的方式。”

研究人员花了三年时间对数百种拟南芥的DNA进行测序。拟南芥是一种小型开花杂草,被认为是“植物中的实验室小白鼠”,因为它的基因组相对较小,约有1.2亿个碱基对。相比之下,人类大约有30亿个碱基对。

Monroe说:“这是一种遗传模型生物。”

实验室培育的植物有许多变种

这项工作始于马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute),那里的研究人员在一个受保护的实验室环境中培育标本,让那些在自然界中可能无法存活的有缺陷的植物能够在一个受控的空间中存活。

对这数百种拟南芥植物的测序发现了超过100万个突变。在这些突变中,发现了一种非随机模式,与预期相反。

“乍一看,我们的发现似乎与现有的理论相矛盾,即最初的突变是完全随机的,只有自然选择决定有机体中观察到哪些突变,”马克斯·普朗克研究所(Max Planck Institute)的科学主任、该研究的高级作者德特勒夫·威格尔(Detlef Weigel)说。

他们发现的不是随机性,而是低突变率的基因组斑块。在这些斑块中,他们惊奇地发现了必需基因的过度表达,比如那些参与细胞生长和基因表达的基因。

“这些是基因组中真正重要的区域,”Monroe说。“在生物学上最重要的领域是那些被保护不受突变影响的领域。”

这些区域对新突变的有害影响也很敏感。“因此,DNA损伤修复似乎在这些区域特别有效,”Weigel补充道。

植物进化是为了保护自己

科学家们发现,DNA包裹不同类型蛋白质的方式可以很好地预测一个基因是否会发生突变。Weigel说:“这意味着我们可以预测哪些基因比其他基因更容易发生突变,这让我们对发生了什么有一个很好的认识。”

这一发现为查尔斯·达尔文的自然选择进化论增添了一个令人惊讶的转折,因为它揭示了植物的进化是为了保护其基因免受突变,以确保生存。

“这种植物已经进化出一种方法来保护它最重要的地方不受突变的影响,”Weigel说。“这是令人兴奋的,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受突变。”

未来应用

知道为什么基因组的某些区域比其他区域更容易发生突变,可以帮助依靠遗传变异培育出更好的作物的育种家。科学家还可以利用这些信息更好地预测或开发新的治疗方法来治疗由突变引起的癌症等疾病。

“我们的发现为推动自然变异模式的力量提供了更完整的解释;它们应该激发关于突变在进化中的作用的理论和实践研究的新途径,”论文总结道。


杂志

Nature

DOI

10.1038/s41586-021-04269-6 


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