Nature重磅：挑战进化理论，DNA突变并不是随机的

我们知道，DNA无时无刻不在发生着损伤，当DNA受损而又没能正确修复时，就会发生突变，从而产生新的变异。自20世纪上半叶以来，进化论一直被这样一种观点所主导——DNA突变在基因组中是随机发生的。

“我们一直认为突变在基因组中基本上是随机的，”该论文的第一作者、加州大学戴维斯分校植物科学系助理教授格雷·门罗说。“事实证明，突变是非常非随机的，而且它在某种程度上对植物有益。这是一种全新的突变思维方式。”

2022年1月12日，德国马克斯普朗克发育生物学研究所、美国加州大学戴维斯分校等机构的研究人员在国际顶尖学术期刊 Nature 发表了题为：Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana 的研究论文。

该研究发现，DNA的突变并不是随机的，在基因组中的一些重要区域，DNA突变频率显著降低。这改变了我们对进化的理解，这些发现可能帮助科学家培育出更好的作物，甚至帮助人类对抗癌症。

为了探究DNA突变是随机的还是有着更深层次的机制，研究团队花了三年时间对数百种拟南芥进行了DNA测序。拟南芥是研究遗传学的模式生物，就像植物研究中的小白鼠。研究谈对之所以选择拟南芥来进行研究，是因为拟南芥的基因组很小，仅有约1.2亿碱基对，相比之下，人类有大约30亿碱基对。

研究团队在受保护的实验室环境中种植拟南芥标本，使得在自然界中可能无法生存的具有缺陷的拟南芥能够在受控环境中生存。通过对数百种拟南芥的测序，发现了超过100万个突变，在这些突变中揭示了一种非随机突变模式。

之前得理论认为，初始突变是完全随机的，自然选择决定了能够在生物体中观察到那些突变。而这项新研究发现，这些突变并不是随机的，在那些重要区域，基因突变的频率要更低。例如，在基因内的突变频率减少了约一半，而在那些必需基因中，突变频率更是减少了三分之二。这些区域是基因组中真正重要的区域，在生物学上最重要的区域是受保护免于突变的，这些区域对新突变的有害影响非常敏感，因此，DNA损伤修复在这些区域特别有效。

通过独立的基因组突变数据库，包括迄今为止进行的最大的拟南芥突变积累实验，研究团队证实表观基因组和物理特征解释了全基因组中90%的这种不同区域突变频率不同的突变偏倚。研究团队认为，表观基因组相关的突变偏倚减少了有害突变的发生。

这些发现为达尔文的自然选择进化论增添了一个令人惊讶的转折，说明进化中的DNA突变并不是随机的，也不是无方向的。

该论文的通讯作者 Detlef Weigel 表示，植物已经进化出一种方法来保护其基因组中最重要的区域免受突变，这一发现令人兴奋，因为我们也可以利用这些发现来研究如何保护人类基因免受突变。

此外，了解为什么基因组中的某些区域比其他区域突变更多，可以帮助依赖遗传变异的育种研究人员培育出更好的作物。科学家们还可以利用这些信息更好地预测或开发针对由DNA突变引起的癌症等疾病的新疗法。

最后，研究团队表示，这些发现更完整地说明了驱动自然变异模式的力量，挑战了长期以来关于突变随机性的理论，并为生物学和进化突变的理论和实践研究提供了未来方向。

论文链接：

https://www./articles/s41586-021-04269-6