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科学家阐释为何基因组变化速度难以确定

科学家阐释为何基因组变化速度难以确定

人类基因突变不仅仅是科幻电影描述的那样,它们还能记录进化事件的时间。图片来源:Murray Close/Getty

  数学家一直在计算π的数值,即便他们已经知道了超过12万亿位数字;物理学家也在不停地鞭策自己,因为他们无法确定3个有效数字外的万有引力常数。相比之下,遗传学家在人类DNA突变速度方面正面临两难抉择。

  这一速率对校正“分子钟”十分重要。分子钟能将事件的DNA日期放置于进化历史中。近日,在德国莱比锡举行的人类突变速率会议上,12位演讲者表示自己在努力思索为幸运28何近年来相关速率的计算比过去减少。他们还在思考为何该速率似乎随时间而波动。这次会议不仅吸引了进化遗传学家,也引起对癌症和生殖生物学感兴趣的研究人员的注意。

  “突变是所有遗传性疾病和生物适应的最终源头,因此理解突变发展速率是一个根本问题。”与会专家、美国哥伦比亚大学人类遗传学家Molly Przeworski说。

  甚至在知道DNA编码遗传信息之前,研究人员就试图将一个数字植入人类突变速率。在上世纪30年代,遗传学先驱J. B. S. Haldane提出了一个良好的评估方法,测量突变如何影响血友病在大家族中的发病情况。

  之后的突变率估算计算了DNA和蛋白质氨基幸运28酸序列的延伸在人类和黑猩猩及其他类人猿中的不同,然后按照化石记录中这些物种最近的共同祖先的出现时间划分了差异的数量。不过,不完整的化石记录极大影响了这些计算结果,但研究人员最终达成一致:平均而言,每个DNA字母每10亿年突变一次。德国马普学会分子人类学家Linda Vigilant表示,这是一个“可疑的整数”。

  在过去6年中,更直接的测量使用了“下一代”DNA测序技术,结果得出了非常不同的结论。许多研究对比了父母及其后代的全部基因组,结果得出的突变率约为共同祖先方法的一半。

  一个更慢的分子钟能很好地协调重要人类进化事件的遗传和考古学结果,例如走出非洲。但当时间进一步回溯时,使用慢时钟得出的结论没有意义,例如猿和猴子最近的共同祖先曾遇到过恐龙。许多研究人员不愿完全放弃旧的数据,开始在论文中两边下注避免损失,依照突变率快、慢或居于两者之间,为进化事件提供了多重数据。

  去年,美国哈佛大学医学院人类遗传学家David Reich及其同事,将4.5万年前西伯利亚人的基因组与现代人进行了对比,结果得出了一个更慢的速率。就在莱比锡会议召开之前(该会议由Reich和马普学会的Kay Prüfer联合组织),Reich研究小组发表了一篇预印本论文,通过着眼于现代人成对染色体延伸间的不同,得出了一个居中的结论。但Reich并无法解释这种矛盾。“分子钟如此不确定的事实对我们而言非常有问题。”他说,“这意味着遗传学日期非常劣质和不确定。”

  Reich希望,即使此次会议无法就突变速率达成共识,也能强调该研究需要向前发展。他和Prüfer组织与会者对赞同的理论进行了投票。他们发现与会者更赞同较低的数值,但意见范围仍十分广泛。

  Reich等人推断,人类基因突变率在过去数百万年间出现了波动。会上的诸多讨论围绕它何时加速和减速以及原因是什么。而新陈代谢和生殖生物学方面的进化改变都可能是原因。英国剑桥大学人口幸运28遗传学家Aylwyn Scally认为,生活在2000万年前~1200万年前的类人猿的共同祖先,比其亲属猴子拥有更长的世代。这可能减慢突变:一个更长的世代可能导致每年的突变更少。

  医学方面的遗传学家也担心突变率。参与该会议的英国维康信托基金会桑格研究所所长Michael Stratton是一位癌症遗传学家,致力于研究DNA突变成因。Stratton表示,烟草等环境因素能触发一些癌症,但细胞的普通生化过程也能引起癌症。找出这些因素或能解释突变率的波动。

  生殖生物学家也对人类基因突变率感兴趣,部分原因是他们发现一些疾病在年龄较大父亲的孩子中更普遍。精子的产生贯穿一个男性的一生,然而女性生来就具备所有卵子。精子前体细胞的固定分裂意味着,男性会将更多的新突变传递给后代,2012年的一次调查显示,这一几率是女性的4倍,而且年龄更大的父亲传递的突变也更多。

  即便人类基因突变率仍不确定和不稳定,Reich提议研究人员在研究中使用较慢的速率,至少直到更好的数据出现。他警告称:“这不是光速,也不是物理学。”