遺傳學(xué)是一個(gè)廢話。在有性繁殖期間，來(lái)自母親和父親的基因混合并混合以產(chǎn)生每個(gè)后代獨(dú)特的遺傳組合。在大多數(shù)情況下，染色體排列正確并交叉。然而，在一些不幸的情況下，“自私的DNA”進(jìn)入混合物，引起染色體中缺失或插入的異常交叉，這可能表現(xiàn)為出生缺陷。

科學(xué)家們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到，通過(guò)過(guò)度稱(chēng)為重組來(lái)交換遺傳物質(zhì)對(duì)于自然選擇至關(guān)重要。然而，有些物種比其他物種表現(xiàn)出更多的交叉。為什么?研究人員假設(shè)交叉率已經(jīng)發(fā)展到平衡交叉帶來(lái)的好處和自私DNA的風(fēng)險(xiǎn)。

羅切斯特大學(xué)生物系主任生物學(xué)教授達(dá)文•普雷格雷夫斯說(shuō)：“現(xiàn)在有一個(gè)關(guān)于某些分子，生物和基因組現(xiàn)象如何隨著自私的遺傳因素而演變出來(lái)的謎團(tuán)。”“自然選擇在生態(tài)環(huán)境中的作用基本上是一個(gè)已解決的問(wèn)題，但自然選擇在回應(yīng)自私遺傳因素方面的作用仍在制定中。”

識(shí)別基因

Presgraves和Ph.D.候選人Cara Brand最近完成了學(xué)習(xí)這些進(jìn)化動(dòng)力學(xué)的重要里程碑。通過(guò)研究?jī)煞N果蠅，他們發(fā)現(xiàn)了一種控制重組率的基因MEI-218。在當(dāng)前生物學(xué)發(fā)表的一篇論文中，他們解釋了MEI-218如何控制物種之間的交叉率和發(fā)揮作用的進(jìn)化力的差異。

“這是我所知道的第一個(gè)基因，任何人都已經(jīng)證明了重組率的演變，”Presgraves說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于兩種密切相關(guān)的果蠅 - 黑腹果蠅及其姊妹物種果蠅(Drosophila mauritiana) - 因?yàn)樗鼈兊闹亟M率有很大差異：D. mauritiana的交叉量比D. melanogaster多1.5倍。當(dāng)他們比較兩種不同物種的基因時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)MEI-218的DNA序列異常不同。

遺傳重組的重要性

“當(dāng)有多種基因型可以作用時(shí)，自然選擇效果最好，”該論文的第一作者布蘭德說(shuō)。“通過(guò)重組改組等位基因組合產(chǎn)生了自然選擇所依賴(lài)的多樣性。”

因此，重組有兩個(gè)主要原因：

假設(shè)有兩個(gè)染色體與基因A和B在一個(gè)染色體上你可能有一個(gè)“好”(效益)的A等位基因和“壞”(有害)B基因。在另一條染色體上你可能有相反的情況;一個(gè)壞的A等位基因和一個(gè)好的B等位基因。哪條染色體會(huì)更好?“這是一個(gè)混合的包，一條染色體不一定能勝過(guò)另一條染色體，”布蘭德說(shuō)。“重組可以改變我們的等位基因組合，使得一條染色體最終可以將良好的A和B等位基因結(jié)合在一起，而另一條染色體可以將不良的A和B等位基因組合在一起。現(xiàn)在，當(dāng)這些染色體競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，兩個(gè)好的等位基因?qū)⒃诤笕恕?rdquo;

我們的等位基因組合在我們當(dāng)前的環(huán)境中很好，但環(huán)境總是在變化?，F(xiàn)在適應(yīng)性和健康的好等位基因在下一代可能不是這樣。重組可以改變這些基因的組合，使一些基因變壞，那些后代會(huì)死亡，但有些會(huì)很好，這些后代會(huì)存活下來(lái)。

“重組很重要 - 不難讓人相信 - 但是當(dāng)我們看到不同的物種時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)交叉率不同，”布蘭德說(shuō)。“為什么要提高或降低重組率?”

自然選擇和自私DNA的神秘面紗

布蘭德說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)理想的交叉率或分布。交叉是產(chǎn)生可行后代所必需的，但是交叉也存在風(fēng)險(xiǎn)。被稱(chēng)為轉(zhuǎn)座子 - 重復(fù)遺傳元件的自私DNA序列似乎對(duì)其宿主沒(méi)有益處 - 分布在整個(gè)基因組中。轉(zhuǎn)座子類(lèi)似于病毒，但它們不是注入細(xì)胞，而是侵入遺傳物質(zhì)。如果在染色體上不同位置的轉(zhuǎn)座子之間發(fā)生異常交換，則染色體不能正確排列，重要的基因可能被復(fù)制或刪除。

Brand和Presgraves假設(shè)D. mauritiana和D. melanogaster之間的重組率變化可能已經(jīng)進(jìn)化，因?yàn)樵撐锓N在其基因組中具有不同量的轉(zhuǎn)座子。D. melanogaster基因組具有比D. mauritiana更多的轉(zhuǎn)座子，因此D. melanogaster因此可以進(jìn)化較低的交叉率以避免轉(zhuǎn)座子之間有害交叉的較高風(fēng)險(xiǎn)。

這意味著，MEI-218基因不斷發(fā)展到不斷變化的最佳狀態(tài)。Presgraves說(shuō)，MEI-218的進(jìn)化與免疫相關(guān)的基因相似。“這應(yīng)該具有一定的直觀意義，因?yàn)閰⑴c免疫的基因不斷適應(yīng)不斷變化的社區(qū)病原體，這些病原體一直在挑戰(zhàn)我們。”

進(jìn)化生物學(xué)家將這些進(jìn)化動(dòng)力學(xué)稱(chēng)為“進(jìn)化軍備競(jìng)賽”，因?yàn)橥ㄟ^(guò)積極的自然選擇，基因正在追逐不斷變化的適應(yīng)性最佳狀態(tài)。“也許你剛剛適應(yīng)過(guò)，但從現(xiàn)在起幾代人你已經(jīng)不再適合了。你必須一次又一次地進(jìn)化，”Presgraves說(shuō)。

到目前為止，MEI-218基因僅在果蠅中進(jìn)行了研究，但對(duì)重組的研究可用于人類(lèi)。“在減數(shù)分裂期間，每條染色體至少需要一次交叉，一般來(lái)說(shuō)，需要確保染色體正確分離，”布蘭德說(shuō)。“在基因組的錯(cuò)誤區(qū)域缺乏交叉或交叉是導(dǎo)致許多出生缺陷如唐氏綜合癥的原因。”