作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2023/3/2 6:35:09
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演化之谜揭晓:不同物种DNA突变率为何不同?

 

和父母相比,每一个子女都会携带新产生的DNA突变,而不同物种的隔代突变率是不同的。浙江大学生命演化研究中心教授张国捷的团队通过跨物种比较分析,揭示了不同物种DNA突变率差异的根本原因和演化规律。3月2日,这一研究成果发表于《自然》。

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研究材料之一的鬃狮蜥 张国捷团队供图

爬行动物和鸟类更易发生DNA突变

无论是演化生物学,还是医学基因组学,一直都把突变率作为重点关注对象,因为它是遗传变异的最终来源和生物演化的重要驱动力。

生物产下的后代可能产生与父母不同的新性状,根本原因在于生殖细胞的DNA发生了突变,从而导致代际之间的基因组产生了差异。突变率的大小会影响物种长远的演化能力,但过多的突变也会导致疾病发生,从而对生存造成影响,因此,物种在每一代产生的突变数量都存在一定的界限。但在不同物种中,这种代际间新发突变产生的频率并不相同。

然而,不同物种DNA突变速率差异的根源一直困扰着生物学家。找到这个问题的答案,对理解DNA突变的产生机制和细胞癌变的机制也有重要借鉴意义。

论文第一作者、张国捷课题组博士后研究员露西·伯杰龙介绍,在这项研究中,科研人员对68种脊椎动物323个家系的高深度基因组进行了测序分析,涵盖了哺乳动物、鸟类、爬行类和鱼类等,并对每个物种新生突变的发生率进行了准确测量,从而为理解它们的种间差异提供了基础。

分析结果显示,不同物种每一代生殖细胞产生的突变率相差可达40倍。平均而言,爬行动物和鸟类每一代的突变率要高于哺乳动物和鱼类。但伯杰龙告诉《中国科学报》:“考虑到这些物种之间生活史特征的巨大差异,40倍并不算非常巨大的差异。总体来说,脊椎动物有比较相似的机制引发生殖细胞的DNA突变。”

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胚系突变率在68种脊椎动物中的差异分布 张国捷团队供图

繁殖能力影响世代间基因突变率

生物学界存在一个著名的理论叫作“雄性驱动演化假说”。该假说认为,在哺乳动物和鸟类中,雄性生殖细胞分裂的次数要比雌性大得多,这就导致了胚系突变率在同一物种不同性别之间出现了偏差。或者说,在后代所产生的新变异中,主要是由于来自父亲的基因组发生的突变。

“然而,父母双方分别贡献了多大比例,我们依然知之甚少。”论文通讯作者张国捷表示,这项研究在这一问题上获得了更为全面的认识,并对这一理论提出了补充。他们发现,在鸟类后代中新出现的突变,大约75%是来自于父亲生殖细胞的变异,哺乳动物中这一比例大约是67%。而在冷血动物的鱼类和爬行类动物中,雌雄双方对后代新生变异的贡献接近一致。

该研究还分析了物种间生活史特征的差异对突变率的影响。研究人员发现,当物种的性成熟年龄越早,或者每一代的后代数目越多,这一物种生殖细胞的每一代突变率就越低;在人工饲养的动物中,由于适合生育的生殖年龄降低,驯化品种相对于野生物种在生殖细胞中具有更高的年均突变率。此外,研究还证明了遗传漂变对物种胚系突变率也存在影响。当物种有效种群规模越大,每一代新突变的产生速率就越低。

 “生殖细胞的DNA发生突变是物种演化最源头的动力,突变率大小影响着物种的演化潜力,对物种产生新的有利或者不利的性状具有重要影响。”张国捷解释,“我们的研究表明,突变率本身如同其他生物性状一样在不同物种之间存在差异,同时在宏观演化过程中,也会受到其他生物性状的影响。”

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-05752-y

 
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