Nature：突變非隨機！進化或有方向性與目的性

如果說，進化是有方向的，那就是在挑戰進化論的主流觀點。這個具有百年曆史的觀點一直主張隨機變異與自然選擇。那麼，

DNA突變

就是

在基因組中是隨機發生的。因此，用“演化”代替“進化”更能體現其無方向性和無目的性。

美國加州大學戴維斯分校的植物科學家Grey Monroe說：“我們曾經也一直認為基因突變是隨機發生的。然而事實證明，突變是非隨機的，至少對模式植物擬南芥（路邊的野草）來說，突變在某種程度上還幫助了它們。”

這是一種關於突變的全新思維。

近日，發表在

《Nature》

上的一項新研究中，

Monroe與德國馬克斯普朗克發育生物學研究所Detlef Weigel教授等人領導的研究團隊提供了新的證據表明DNA突變並不是隨機的，而且在突變方面，也並非所有DNA都是平等的。

該研究挑戰了長期以來關於突變隨機性的正規化，有助於科學家培育出更好的作物，甚至還能幫助人類對抗癌症。

突變

這個詞，大家都不陌生，因這兩年它經常會被提及。突變是指生物體、病毒或染色體外DNA基因組核苷酸序列的改變。

要發生基因突變，必須要完成幾件事。首先，肩負將遺傳物質傳遞給後代任務的生殖細胞中的DNA必須發生損傷（

暴露

於輻射或致癌物

，或基因丟失，

或遺傳物質

在

複製出錯導致整個染色體混

亂

），這將涉及到DNA序列中單個“字母”發生改變。

隨後，DNA損傷必須避開一些可以防止這種變化被轉移的細胞機制，包括DNA修復，或者應對極端突變的程式性細胞死亡，即細胞凋亡。

如果突變避開了這些過程，它就可以遺傳給下一代。

大多數包含單個“字母”變化的突變是中性的，因為它們不會引起生物體形態或功能的任何重大變化。

但對於那些確實會導致變化的突變來說，它們是否能延續到下一代，可能就取決於自然選擇了。

正是基於這一點，進化被認為完成了在好的突變和壞的突變之間的大部分篩選。例如，如果一種突變阻礙了一種植物或動物的生存，它就不可能長期存在。

雖然選擇的力量可以限制哪些突變在代際間傳遞，但突變本身通常被視為生物體基因庫中不可預測的擲骰子行為。

因此，自20世紀上半葉以來，進化論一直被突變是隨機發生的觀點所主導。

為了驗證突變隨機分佈於整個基因組的假設，研究人員用了三年時間對400種模式植物擬南芥（植物中的小白鼠）進行了研究。之所以選擇擬南芥，是因為它們的基因組非常小，僅有約1。2億鹼基對；相比之下，人類約有30億鹼基對。

研究人員在實驗室環境中種植了這些擬南芥標本，使

具有缺陷

而在自然界中無法生存的擬南芥能夠在受控環境中生存。

透過對這幾百種擬南芥測序，研究人員發現了超過100萬個突變，這些突變並沒有顯示出是隨機分佈的，相反，它們揭示了一種非隨機突變模式。

這完全顛覆了過去的主流理論。研究人員發現，

這些突變不僅不是隨機的，而且在那些重要區域，基因突變的頻率會更低。

例如，在基因內的突變頻率減少了約一半；而在那些必需基因中，突變頻率更是減少了三分之二。這些區域是基因組中真正重要的區域，在生物學上最重要的區域是受保護免於突變的。這些區域對新突變的有害影響非常敏感，因此，DNA損傷修復在這些區域特別有效。

無論他們觀察序列的編碼部分還是非編碼部分，結果都是如此，這表明這種影響是由整個區域控制的，而非特定型別的DNA。

更重要的是，這些資料還揭示了表觀遺傳因素。

研究人員發現，

DNA被不同型別蛋白質包裹的方式可以很好地預測基因是否會發生突變，這意味著可以預測哪些基因比其他基因更有可能發生突變。

此前

已經有

明確

的證據表明DNA修復是針對活躍的基因區域，這項新研究也支援

了

這一點。

研究人員表示，

瞭解擬南芥在基因突變方面的偏好不僅對其他植物有意義，而且對了解幾乎所有物種的進化和疾病也有意義。

研究通訊作者、馬克斯普朗克發育生物學研究所科學主任Detlef Weigel說：“這種植物（擬南芥）已進化出一種方法來保護它最重要的地方不會受到突變的影響。這令人興奮，因為我們甚至可以利用這些發現來思考如何保護人類基因免於突變。”

這些發現表明，自然選擇扭曲了生物體基因庫中發生突變的機率。雖然單個突變的後果確實仍然是隨機的，但在整個基因組中發生突變的區域是偏向於有利於生物體生存的。

總之，這項研究對驅動自然變異模式的力量提供了新的見解，並挑戰了長期以來關於突變隨機性的正規化，併為生物學和進化突變理論的實踐研究提供了未來方向。

論文連結：

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