根據(jù)斯坦福大學(xué)的一項研究，易受破壞和損失的DNA區(qū)域是重要進(jìn)化變化的遺傳熱點。這些發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致對人類進(jìn)化的新認(rèn)識。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員進(jìn)行的一項研究表明，在復(fù)制過程中易受缺失的DNA區(qū)域可能使脊椎動物成功適應(yīng)進(jìn)化過程中迅速變化的環(huán)境條件。該研究表明，一些關(guān)鍵的進(jìn)化變化很可能是通過DNA片段的突然喪失而突然發(fā)生的，而不是通過許多小突變的緩慢積累和累加效應(yīng)。

研究了一種叫做三尖松背鰭的小魚的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種“脆弱的”DNA區(qū)域產(chǎn)生的遺傳熱點比鄰近的序列更快速，更顯著地發(fā)生突變。由此產(chǎn)生的變化可以幫助有機(jī)體保險庫在進(jìn)化軍備競賽中遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于同行。

雖然已經(jīng)在細(xì)菌中描述了類似的發(fā)現(xiàn)，但這是最早的研究之一，表明在脊椎動物中發(fā)生了相同的過程以在身體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生顯著的變化。它還解決了進(jìn)化生物學(xué)中一個長期存在的謎團(tuán)。

“有很多證據(jù)表明，不同種群或物種的相同基因往往是造成類似進(jìn)化變化的原因，”發(fā)育生物學(xué)教授大衛(wèi)金斯利博士說。“目前尚不清楚這是為什么會發(fā)生這種情況。這項研究在生物化學(xué)水平上描述了DNA中的原子和序列，特定類型的突變?nèi)绾畏磸?fù)出現(xiàn)，從而促成了復(fù)雜的骨骼特征的演變。這是一個很好的例子，說明DNA脆弱性有時可以促成有利的特性，而不是自然種群中的疾病，它可以為我們提供關(guān)于人類進(jìn)化過程的重要見解。“

金斯利是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員，該研究的高級作者于1月4日在“ 科學(xué)”雜志上發(fā)表。研究生Kathleen Xie是該作品的第一作者。

變化大，效果大

許多突變涉及DNA的單個核苷酸或字母的變化。這些“點”突變很少會給自己帶來進(jìn)化優(yōu)勢。相反，重大變化通常需要逐漸積累幾種此類突變。相反，例如，基因組中的突然的大的變化可以具有大的效果 - 通過骨骼修改或影響代謝或腦功能來改變身體結(jié)構(gòu)。通常，這些變化是有害的，降低了動物生存的機(jī)會。然而，偶爾，這些變化是有利的。

當(dāng)最后一個冰河時代結(jié)束時，大約一萬年前，一些遷徙海洋的三足動物群落在沿海地區(qū)的新形成的湖泊和溪流中殖民，然后根據(jù)其新的當(dāng)?shù)丨h(huán)境獨立進(jìn)化。結(jié)果，許多這些人群在身體結(jié)構(gòu)上顯示出顯著差異。例如，海洋棘爪具有后鰭，其大骨頭從骨盆結(jié)構(gòu)向下突出。相比之下，數(shù)十個淡水種群已經(jīng)失去了后翅; 它的缺失可能會減少他們對鈣的需求以及被饑餓的昆蟲啃食和吃掉的可能性。

以前在金斯利實驗室進(jìn)行的研究已經(jīng)確定了特定DNA調(diào)節(jié)區(qū)域(稱為Pel增強(qiáng)劑)的丟失，這是許多淡水魚群中缺失的后鰭的重復(fù)原因。Pel增強(qiáng)劑驅(qū)動觸發(fā)后翅發(fā)育所必需的蛋白質(zhì)的表達(dá)。在這項研究中，謝使用海洋棘魚DNA來研究其淡水兄弟中缺失的Pel區(qū)域，以了解該區(qū)域為何特別易受損失。

謝發(fā)現(xiàn)Pel區(qū)域的DNA序列在幾個方面是不尋常的。與周圍區(qū)域不同，周圍區(qū)域表現(xiàn)出與大多數(shù)DNA相關(guān)的正常，更穩(wěn)定的螺旋扭曲，丟失的Pel增強(qiáng)區(qū)域形成了預(yù)測為高度靈活且在DNA復(fù)制期間可能不穩(wěn)定的替代DNA結(jié)構(gòu)。序列還包含長串重復(fù)的核苷酸對，就像一種遺傳口吃。以前對細(xì)菌，小鼠和人類的研究表明，這些重復(fù)通常與DNA片段的缺失有關(guān)。

更頻繁的染色體斷裂

當(dāng)Xie 通過將缺失的Pel 區(qū)域插入人工酵母染色體中來測試缺失的Pel 區(qū)域的穩(wěn)定性時，她發(fā)現(xiàn)染色體比典型的DNA序列突破了大約25到50倍。當(dāng)謝和她的合作者在哺乳動物細(xì)胞中測試相似的DNA序列時，他們觀察到關(guān)鍵的二核苷酸重復(fù)序列經(jīng)常導(dǎo)致超過100個核苷酸長的DNA切片的缺失。

謝所觀察到的染色體斷裂率的增加，以及這種損傷導(dǎo)致DNA整個切片缺失的可能性，可能是允許突出的后翅骨骼特征在許多不同的情況下反復(fù)出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。年輕的頑固人群?？茖W(xué)家認(rèn)為，當(dāng)其他生物體中出現(xiàn)有利特征時，突變率升高可能起到類似的作用。

“許多脊椎動物，包括早期人類，正在處理的人口規(guī)模較小，發(fā)病時間相對較長，”Kingsley說，他是醫(yī)學(xué)院的Rudy J.和Daphne Donohue Munzer教授。“沒有那么多代可用于發(fā)展新的，潛在有利的特性。在這些條件下，突變以高速發(fā)生并具有清掃效應(yīng)可能尤為重要。”

當(dāng)研究人員調(diào)查已知的人類適應(yīng)性變化的實例時，他們發(fā)現(xiàn)大約一半是由于突變導(dǎo)致的，與更典型的DNA字母變化相比也會出現(xiàn)更高的變異。

“我們正在學(xué)習(xí)的是'優(yōu)勝劣汰'或者潛在有利突變產(chǎn)生的相對速度，有時可能與'優(yōu)勝劣汰'一樣重要，”金斯利說。“突變過程本身對結(jié)果有重要影響，突變的到來與其對機(jī)體適應(yīng)性的影響相互作用，從而導(dǎo)致脊椎動物進(jìn)化發(fā)生重大變化。”