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遗传学家新研究推翻达尔文进化论随机突变理论

遗传学家新研究推翻达尔文进化论随机突变理论

遗传学家新研究推翻达尔文进化论随机突变理论

(蜘蛛网eeook.com报道)据俄罗斯卫星网:德美专家研究证明,引发生物进化的DNA突变并非随机。而根据达尔文进化论,突变是随机发生的,然后那些具有一定优势的会固定下来。当DNA受损后无法复原而产生新的变体时,就会发生突变。

根据加州大学戴维斯分校发布的新闻稿,论文第一作者、植物栽培学教研室副教授格雷·门罗(Grey Monroe)表示:“我们一直认为,植物基因组突变是随机发生的。但事实证明,从突变对植物有益这个意义上来说,突变绝非随机。这是关于突变的一种全新的看法。”

在三年的研究过程中,专家对数百种拟南芥植物(Arabidopsis thaliana)的DNA进行了测序。拟南芥是一种小杂草花,由于其基因组相对较小,包含约1.2亿个碱基对,因此被遗传学家视为“植物模型”。作为对比,人类基因组大约有30亿个碱基对。

研究工作在德国马克斯·普朗克发育生物学研究所进行。专家在受保护的实验室环境中培养样本,让在自然界中可能无法生存的具有缺陷的植物在可控的空间中存活下来。

DNA测序过程中找出了超100万个突变。在这些突变中,专家发现了与进化论随机突变理论相悖的非随机性。研究显示,在负责细胞生长和基因表达的基因组片段中,突变非常罕见。

“在生物学意义上最为重要的基因组区域不会发生突变。在这些区域,DNA受损之处可以得到特别有效的恢复。”研究负责人、马斯克·普朗克研究所科研工作负责人德特勒夫·魏格尔(Detlef Weigel)说,“植物发明了保护自己最重要的地方免于突变的方法。这非常有意思,因为我们可以利用这一发现来思考如何使人类基因免于突变。”

专家发现,DNA包裹蛋白质的方法可以显示某种基因是否会发生突变。德特勒夫·魏格尔称:“这意味着,我们可以预测,哪些基因发生突变的几率更大。”相关论文发表在《自然》杂志上。

专家希望这些发现能够帮助到依靠遗传变异来获得更优质作物的育种者,而且希望将来能够发明治疗癌症等基因突变相关疾病的新方法。

相关报道:研究:DNA突变的随机性比我们想象的要小

(蜘蛛网eeook.com报道)据cnBeta:推动进化的DNA突变通常被认为是相当随机的,但一项新的研究表明,在混乱中实际上还存在着一些秩序。一个科学家小组比较了在实验室中生长的数百种植物的基因组,结果发现在对生存至关重要的基因中,突变发生的可能性要小得多。

机会在进化中起着重要作用。传统观念认为,DNA突变会在生物体的基因组中随机出现,如果这些新特征恰好有助于生物体的生存和繁殖,那么这些突变就会传给下一代人。在足够长的时间内,这些性状可以成为一个群体或物种的特征。

但基因组中DNA突变的位置是否有规律可循?为了进行调查,来自加州大学戴维斯分校和马克斯-普朗克研究所的研究人员在实验室中种植了数百种羽衣甘蓝植物,然后对其基因组进行测序并比较了DNA突变发生的位置--似乎出现了一种非随机的模式。

“我们一直认为突变在整个基因组中基本上是随机的,”该研究的主要作者Grey Monroe说道,“事实证明,突变是非常非随机的,且是以有利于植物的方式非随机的。这是对突变的一种全新的思考方式。”

通过在受控的实验室条件下种植植物,该团队试图消除自然选择的非随机影响,确保通常不会在现实世界中生存的植物不会被任何负面突变所淘汰。

在数百个植物基因组中,研究小组发现了超过一百万个突变,它们似乎集中在基因组的某些部分。这留下了突变率一直很低的斑块,低至其他区域的三分之一。当科学家们检查哪些基因位于这些斑块中时,他们发现了大量的基本基因,包括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说道,“在生物学上最重要的区域是那些被保护免受突变的区域。”

耐人寻味的是,这些区域似乎也有更强的DNA损伤修复机制,这表明有一种强化的方法来确保这些关键序列保持功能。

这项研究的资深作者Detlef Weigel说道:“植物已经进化出一种方法来保护其最重要的地方免受突变。这很令人兴奋,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不受突变的影响。”

这项新研究增加了越来越多的工作,其加深了人们对DNA突变在进化中的作用的理解。2014年的一项研究发现,突变更频繁地发生在重复序列附近,而2019年的另一项研究发现了重组位点的突变热点,即来自每个父母的染色体配对的地方。

这项新研究的研究人员称,这项工作最终可能导致在工程上改进更好的作物,甚至控制由DNA突变引起的人类疾病,如某些类型的癌症。但在这些领域的任何应用无疑都是遥遥无期的。

相关报道:颠覆百年理论 《自然》最新研究:基因突变不是随机的

(蜘蛛网eeook.com报道)据药明康德:自20世纪上半叶起,突变的随机性就一直是生物演化理论的重要基础。这个观点如同生物学领域的公理,对于生物学家建立演化模型、理解遗传多样性产生了深刻影响。现在,这个经典的观点受到一项全新研究的有力挑战。

在一篇发表于《自然》杂志的最新论文中,一支国际研究团队通过对模式植物拟南芥的研究提出,突变的诞生不是完全随机的,相反,突变出现的区域有着明显的规律性。这个发现从根本上改变了我们对于生命演化的理解,并且有望帮助科学家培育具有更优良性状的作物,甚至帮助人类对抗癌症。

“我们总是认为突变是在基因组中随机出现的,”本文通讯作者,加州大学戴维斯分校的Grey Monroe教授表示,“但结果表明突变远不是随机的,而这种非随机的方式有利于植物生长。这也为我们理解突变提供了全新的方式。”

为了寻找突变背后是否存在更深层次的规律,研究团队对拟南芥进行了深入研究。由于具备基因组较小、易于培养且繁殖迅速等优点,这种样貌普通的“野草”已经成为应用范围最广的模式植物。

以往人们认为,突变在基因组不同区域出现的频率不同,完全是随机突变之后自然选择的结果。在这项研究中,研究团队在受保护的实验室环境中种植拟南芥,这样的环境使得一些携带不利突变的个体也能存活,从而避免了自然选择的影响——在野外,这些突变导致的缺陷使得植株通常无法幸存。

随后,研究团队耗时3年,对数百株在这种环境中栽培的拟南芥进行了DNA测序。结果,他们一共发现了超过100万个突变。从如此众多的突变中,研究团队发现了怎样的规律?

“我们的发现似乎与现有理论相悖,后者认为最早的突变是完全随机的,只有自然选择能决定哪些突变这生物体内出现。”论文另一位通讯作者,德国马克斯·普朗克发育生物学研究所的Detlef Weigel博士表示。

相反,他们意外地发现基因组的一些特定区域突变率明显更低,尤其是对其生存起决定性作用的必需基因,例如参与细胞生长与基因表达的基因。相比于周围其他区域,基因体区域的突变率降低了50%以上,必需基因的突变率更是下降了三分之二。导致这些区域突变率差异的主要原因不是自然选择,而是表观基因组——超过90%的突变率差异都与表观基因组相关。

“这些在生物学中最重要的区域,恰好是受保护能避免突变的区域。” Monroe教授总结道。

这项研究的另一项发现是,包裹DNA的蛋白质的种类,可以很好地预测基因突变的可能性。“这意味着我们能预测哪些基因更可能发生突变。” Weigel博士说。

由此,这项研究向基于自然选择的演化理论提出挑战,并揭示了一个出人意料的现象:这些植物为了生存,演化出了保护其关键基因免遭突变的能力。Weigel博士说:“这一现象令人激动,我们最终将利用这些新发现思考,人类基因组应如何避免突变。”

从这些不起眼的野草中,一幅演化理论的全新画卷正徐徐展开。突变的产生或许并非此前公认的那样随机,而是存在着有利于个体生长的定向性。了解基因组中哪些区域更容易突变,将帮助科学家根据我们的需要,开发更符合要求的作物品种。更令人期待的是,从这个全新的规律中,未来的研究或许能以此为契机,为癌症等由基因突变引起的疾病开发新疗法。

参考资料:

[1] J。 Grey Monroe et al。, Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana。 Nature(2022)。 https://doi.org/10.1038/s41586-021-04269-6

[2] Study challenges evolutionary theory that DNA mutations are random。 Retrieved Jan。 12, 2022, from https://www.broadinstitute.org/news/engineered-particles-efficiently-deliver-gene-editing-proteins-cells-mice




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