「Nature」想法很重要！植物大牛Detlef Weigel組透過重測序顛覆了經典觀點，揭示突變不是隨機的

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2022年1月12日，Nature

雜誌線上發表了來自

德國馬普研究所植物學大牛Detlef Weigel

課題組和加州大學戴維斯分校J. Grey Monroe

題為“

Mutation bias reflects natural selection inArabidopsis thaliana

”的研究論文。該研究在3年時間裡對數百種擬南芥進行重測序發現超過100萬個突變，但是驚訝發現DNA突變方向和頻率是有偏向性的，這顛覆了之前傳統觀念“突變是隨機性發生的”進化理論的觀點。

值得注意的是，在2019年8月18日，Nature

雜誌線上同樣發表了來自

德國馬普研究所植物學大牛Detlef Weigel課題組

題為“

Natural selection on the Arabidopsis thaliana genome in present and future climates

”的研究論文。該研究利用之前1001計劃的擬南芥生態型基因組為參考，透過在兩地設定不同的條件組研究氣候變化如何驅動遺傳變異，只是透過重測序517個生態型的基因組，透過分析發現氣候自然選擇驅動的變異很大一部分可以從區域性適應性中預測。這也是透過重測序能發好文章的課題。【Nature】想法很重要！植物大牛Detlef Weigel組透過重測序發現氣候變化在擬南芥基因組變異中的作用！

自 20 世紀上半葉以來，我們都認為基因組上到突變是隨機發生的，然而我們在參與細胞生長和基因表達的基因區域中很少發現遺傳變異，暗示著突變可能不是隨機性。以前的非隨機突變模式的證據依賴於自然種群的分析，這些分析受到自然選擇影響的干擾。以往研究表明核苷酸組成、表觀基因組特徵和DNA修復中的偏差可能影響整個基因組不同位置發生突變的可能性。

研究基因水平突變變異性的最大問題是在自然選擇之前缺乏新突變的資料。因此，該研究首先透過將擬南芥連續傳代24代，構建擬南芥突變積累系，用來識別突變訓練集，如下圖：

之後，該研究測試了資料集中突變的位置是否與表觀基因組特徵相關聯，結合先前關注的與突變相關的生化特性：基因表達、GC 含量、胞嘧啶甲基化、組蛋白修飾和染色質可及性等，建立了基因區域中突變頻率的線性模型。與預期相反，該研究發現基因體內的突變頻率降低了一半，而必需基因的突變頻率降低了三分之二。進一步發現表觀基因組預測的突變機率解釋了基因body周圍觀察到的突變模式中超過 90% 的變異。同時，觀察到的基因周圍的突變頻率反過來又準確地預測了天然擬南芥種質中的遺傳多型性模式。對等位基因頻率的分析支援突變偏向性是自然種質中圍繞基因的序列進化模式背後的主要力量。

最後，該研究發現基因結構和突變率存在關係，突變頻率最高的位置是在基因的5‘ 和 3’ 端的外顯子上，UTR 長度與外圍編碼外顯子的突變機率和多型性間呈負相關。缺乏內含子的基因的突變機率相對較高，而具有更多和更長內含子的基因的突變機率更低。綜上，該研究發現對驅動自然變異模式的作用力提出了新的解釋，挑戰了長期以來關於突變隨機性的理論，併為生物學和進化突變的理論和實踐研究提供了未來方向。

論文連結：https：//www。nature。com/articles/s41586-021-04269-6

iPlant公眾號評：

兩篇Nature文章都是透過重測序擬南芥基因組，後透過分析得到結論。雖然文章演算法複雜難懂，但思路簡單，如同樣是重測序，換個思路和角度，研究的意義就不同，故推薦這兩篇文章。

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