為了制造出能夠解釋生命多樣性的標志性扭曲雙螺旋，DNA規(guī)則規(guī)定G總是與C配對，A與T配對。但是，當它全部加起來時，物種中G + C與A + T含量的數(shù)量不是簡單的固定百分比或標準的一對一比率。

例如，在單細胞生物體內(nèi)，G + C含量可以在天然鏈霉菌(Streptomyces coelicolor)等細菌中的72%變化，而引起瘧疾的原生動物寄生蟲惡性瘧原蟲(Plasmondium falciparum)的含量僅為20%。

在單細胞真核生物中，酵母含有38%的G + C含量，玉米等植物含有47%，人類含有約41%。

最大的問題是，為什么?

“這一直是基因組進化中長期存在的問題之一，而之前解釋它的嘗試涉及相當多的揮手，”邁克爾林奇說，他是亞利桑那州立大學生物設(shè)計研究所新的進化機制中心的負責人。

DNA本身的化學性質(zhì)是否有利于一個核苷酸而不是另一個核苷酸，或突變壓力的偏差是否會發(fā)生變化，如果是這樣，為什么物種之間會有所不同?

“在缺乏關(guān)于突變過程的關(guān)鍵觀察結(jié)果的情況下，人們一直難以理解這種機制是什么，”林奇說。

邁克爾林奇的小組現(xiàn)在已經(jīng)通過實驗證明G + C成分通常受到強烈青睞，而這往往與相反方向的各種強度的突變壓力相反。

“平均而言，自然選擇或某些其他因素(可能與重組力相關(guān))有利于G + C含量，無論DNA的種類，物種基因組的大小，或物種在生命進化樹上的位置， “林奇說。

該研究發(fā)表在“自然生態(tài)學與進化”雜志上。

犯錯是普遍的

驅(qū)動進化是DNA突變，基因組中的錯誤被引入并傳遞給下一代，因此隨著時間的推移，為新的適應性或性狀的發(fā)明提供燃料。

為了解決問題的核心，科學家想要一種方法來量化實驗室中跨越大范圍物種的全部DNA突變。

現(xiàn)在可以部分通過新技術(shù)使DNA測序更快更便宜。它推動了進化實驗生物學的黃金時代。

“我們從在實驗室檢查的約40種物種的基因組水平上發(fā)生的突變譜的知識開始，”林奇說。“你可以使用這些信息來計算在沒有選擇的情況下GC成分是什么。然后我們可以將這種無效期望與實際基因組含量進行比較，差異是由于選擇。”

在迄今為止最大規(guī)模調(diào)查的巡回實驗中，他們檢查了不同物種的每一個DNA突變，對數(shù)十億個DNA化學堿進行了測序。

“這代表了非常大的工作量，努力和成本，這是測試具有高統(tǒng)計功效的不同進化模型所必需的，”負責實驗的博士后研究員Hongan Long說。

他們還利用了對25個當前突變數(shù)據(jù)集的分析和12個新的突變 - 積累(MA)實驗(許多來自他們自己的實驗室)，包括細菌和多細胞生物的動物，包括酵母，蠕蟲，果蠅，黑猩猩和人類。

在每個MA實驗期間，他們對大約50種不同的細菌系進行了完整的基因組測序，這些細菌系已經(jīng)通過嚴重的單細胞瓶頸傳代數(shù)千個細胞分裂。

“每條細胞的這種單細胞傳代就像一個過濾器，消除了自然選擇的能力，以修改除最嚴重和有害突變之外的所有突變的積累，使我們能夠有效地無偏見地觀察突變過程，”Long說。

每一代，他們都會仔細測量突變率，或者只改變一個DNA字母時的每次出現(xiàn)。

這可以通過兩種方式發(fā)生：單個G或C DNA堿基對被轉(zhuǎn)換為A + T方向;或者相反的情況可能發(fā)生，A或T基極在G + C方向切換。

在所有數(shù)字和數(shù)據(jù)處理之后，G + C含量和基于DNA突變的期望之間出現(xiàn)了驚人的模式。

“事實證明，它們是相關(guān)的，”林奇說道。“基于中立性，G + C的構(gòu)成總是高于你的預期。這告訴我們存在普遍的選擇。因此，突變驅(qū)動整體模式，但選擇G和C比A和T更能將基因組含量提升到中性突變期望之上。

這似乎幾乎普遍存在。“

結(jié)束了

現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了G + C組合的相關(guān)性，它為更多的問題打開了大門，而答案仍然是難以捉摸的。

“一個問題是，'為什么突變譜在物種間的變化如此顯著'”?林奇問。“物種不具有相同的突變譜。有些物種的突變譜更富含AT，而其他物種更富含GC。我們?nèi)匀徊恢劳蛔冏V中這種分歧背后的機制。”

它們可能是由于化學和生物物理學的簡單差異。

可能相關(guān)的一個普遍力量是DNA穩(wěn)定性，由DNA字母的化學驅(qū)動。保持DNA梯子完整的力稱為氫鍵。G：C對涉及三個氫鍵，而A：T對僅涉及兩個。

“流行的想法是更多的G：C含量增加了基因組的穩(wěn)定性，”林奇說。

另一種可能性是在繁殖期間，當DNA鏈從每個親本交織產(chǎn)生受精卵時，在堿基配對中可能發(fā)生錯配，導致DNA校對酶后來必須修復的錯誤。有時，G可以變?yōu)锳，或者T變成C，在這種不匹配修復過程中轉(zhuǎn)換基因。

“這通常被認為偏向于Gs和Cs，”林奇說。

現(xiàn)在，憑借他們的實驗設(shè)置，林奇的團隊準備進一步探索這個偉大神秘背后的進化機制和基本力量。