为什么微生物比人类更好地阻止DNA突变?

  亚利桑那坦佩——凯利·哈里斯希望人类更像草履虫。每一个新生儿的DNA都含有超过60个新的突变,其中一些会导致出生缺陷和疾病,包括癌症。“如果我们进化出像草虫一样的复制和DNA修复过程,那就永远不会发生”哈里斯说,他是西雅图华盛顿大学的进化生物学家。研究人员已经了解到,这些单细胞原生生物可以在没有DNA错误的情况下存活数千代,他们正在研究为什么人类基因组在比较中显得如此脆弱。研究人员在上个月末的突变率研讨会上报道了这个问题的答案,这是我们起源的遗产。尽管今天地球上有几十亿人口,人类在我们物种的早期却只有几千人。在大量人群中,自然选择有效地清除了有害的基因,但在像早期人类这样的小群体中,产生的有害基因包括那些促进突变的基因能够存活。

  支持数据来自于一系列生物体,它们显示了突变率与古代种群大小的反比关系。这一理解为癌症的发展提供了深刻的见解,也对利用DNA在生命之树上的分支进行研究具有一定的意义。亚利桑那州立大学的进化生物学家迈克尔·林奇(Michael Lynch)说:“阐明为什么变异率的变化对于理解所有生物学领域至关重要。”

  例如,当细胞错误地复制他们的DNA或无法修复来自化学物质或辐射的损伤时,就会发生突变。一些错误是好的,提供了使生物体适应的变异。但其中一些基因错误导致突变率上升,从而导致更多的突变。

  在很长一段时间里,生物学家假定所有物种的突变率都是相同的,因此可以预测,它们可以被用作“分子钟”。通过计算两个物种或种群的基因组之间的差异,进化遗传学家可以在它们分化的时候确定日期。但是现在遗传学家可以比较父母和他们的后代的整个基因组,他们可以计算每一代新的突变的数量。

  这使得研究人员能够测量大约40种物种的变异率,其中包括猩猩、大猩猩和非洲绿色猴子的最新报告数量。ASU联合组织者Susanne Pfeifer在2017年12月的《进化》杂志上报道说,灵长类动物的变异率与人类相似。但是,正如林奇和其他人在会议上所报道的那样,细菌、草草虫、酵母和线虫都比人类有更大的种群,它们的突变率要低得多。

  新突变出现在基因组(圆圈大小)的速率与该物种所谓的有效种群大小成反比。微生物具有最高的种群但变异率极低。

  这种变异表明,在某些物种中,通过干扰DNA修复而导致高突变率的基因不受抑制。在2016年,林奇详细阐述了一个可能的原因,他称之为“漂移障碍假说”。它调用遗传漂变,或者偶然的基因改变“在进化过程中的噪声大于选择的方向力”,正如他所说。遗传漂变在小群体中起着更大的作用。在大量的人群中,有害的突变常常被后来的有益突变抵消。但是在一个个体繁殖较少的小种群中,原始突变可以被保存并继续造成破坏。

  今天,世界上有76亿人居住,但人口遗传学家关注的是有效的人口数量,这就是今天所看到的产生遗传变异的人数。在人类中,这大约和其他灵长类动物相差1万。人类倾向于在其中形成更小的群体和配偶。在这样的小群体中,哈里斯说:“我们不能优化我们的生物,因为自然选择是不完美的。

  她指出,哈里斯发现,即使是在人口众多的人群中,也有证据支持“漂移障碍假说”。哈里斯并没有关注DNA变化的总数量,而是关注她研究的人群中每一种DNA碱基的变化频率。她报告说,不同人群之间的“突变谱”差别很大。在2017年,她和她的同事们估计,在1.5万到2000年前,欧洲人有相当多的一些转化为基本的胞嘧啶和嘧啶。此后,她发现日本人和其他东亚人之间的突变谱存在差异。她说,“欧洲人的基因组倾向于破裂的方式与其他地方的人不一样。”

  现在,哈里斯和哥本哈根大学的研究人员已经对古代DNA进行了分析。她报告说,在欧洲人中,早期的农民中存在着过多的胞嘧啶突变,但在采猎者中却没有。她推测,这些农民的小麦饮食可能导致了营养缺陷,而这些营养缺陷使他们倾向于基因突变,而基因突变则有利于细胞因子-胸腺嘧呤的改变,暗示环境可能导致突变率的变化。漂移可能在帮助促进突变基因的过程中发挥了作用。

  最终,她希望找到负责的途径和基因。位于盖恩斯维尔的佛罗里达大学的进化生物学家查尔斯·贝尔说,这是越来越有必要的。很明显,“突变率可以以各种方式快速进化。”如果你真的想要了解突变率,你必须给它加一个精细的放大镜。

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