基因突變，不是完全隨機(jī)的？

這與當(dāng)前教材里的結(jié)論，截然相反。

還記得中學(xué)生物課本里一眾白眼果蠅、白毛小牛、或者長(zhǎng)頸鹿、短頸鹿嗎？

在這些例子中，突變要么由外界人為導(dǎo)致，要么就是完全隨機(jī)，只有自然選擇能決定哪些突變會(huì)出現(xiàn)在生物體內(nèi)。

但現(xiàn)在，一篇刊登在Nature上的最新論文，用實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了這樣一個(gè)顛覆性的觀點(diǎn)：

突變出現(xiàn)的基因組區(qū)域有著明顯的規(guī)律性，并非完全隨機(jī)！

比如說(shuō)，在對(duì)生存起決定性作用的必需基因區(qū)域，其突變率就幾乎下降了2/3。

這種近似于生物體為了生存而“主觀控制”基因突變的行為，和上述物競(jìng)天擇、隨機(jī)突變的自然選擇是完全相悖的。

現(xiàn)在，這一研究不僅震動(dòng)了科研圈，在推特上也引發(fā)了熱烈的討論：

而且這種顛覆性結(jié)論，還與用進(jìn)廢退的拉馬克主義聯(lián)系在一起。

有網(wǎng)友甚至直接發(fā)問(wèn)：

這是要為拉馬克主義平反了嗎？

從植物擬南芥上找到答案

這篇論文由兩所機(jī)構(gòu)合作完成，分別是美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校和德國(guó)馬普所，都不是泛泛之輩。

為了弄清楚基因突變背后的深層規(guī)律，科學(xué)家們花了3年時(shí)間，研究了超過(guò)100萬(wàn)個(gè)基因突變。

所有突變數(shù)據(jù)，都來(lái)自一種叫做擬南芥的植物，被科學(xué)家喻為“植物中的果蠅”。

這種植物由于植株小、結(jié)果多、生命周期短、基因組簡(jiǎn)單、遺傳操作簡(jiǎn)便（相比人類高達(dá)30億個(gè)的堿基對(duì)，它只有1.2億個(gè)），是進(jìn)行遺傳學(xué)研究的理想材料。

這些植物在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行栽培，到了第25代，每個(gè)品系已經(jīng)有了40株幼苗。

然后就在這些幼苗生長(zhǎng)到2周齡的四葉期時(shí)進(jìn)行取樣，用基因數(shù)據(jù)分析軟件（GATK HaplotypeCaller12）進(jìn)行基因變異點(diǎn)查找和分析。

令人驚訝的是，在這些突變中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)其模式和預(yù)期不太一樣。

具體來(lái)說(shuō)，基因組的一些特定區(qū)域突變率明顯更低：比其他區(qū)域降低了50%以上。

而這些突變率更低的區(qū)域中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)主要是一些關(guān)乎細(xì)胞生長(zhǎng)和基因表達(dá)的必須基因（essential genes），它們的突變率下降了2/3。

作者表示，這說(shuō)明植物為了生存，進(jìn)化出一種方法來(lái)主動(dòng)保護(hù)其最重要的地方免受突變。

這也就意味著，DNA突變，并不隨機(jī)。

至于為何各個(gè)位置基因突變概率不同，作者并沒(méi)有給出根本的原因——

究竟是本身這段DNA不易突變，還是后期DNA修復(fù)對(duì)這一段特別有效，暫未可知。

但這樣的結(jié)果，還是對(duì)被奉為圭臬的達(dá)爾文進(jìn)化論，提出了新的挑戰(zhàn)。

此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)包裹DNA的蛋白質(zhì)的種類，可以很好地預(yù)測(cè)哪些基因比其他基因更有可能發(fā)生變異。

這種發(fā)現(xiàn)的影響，也令人振奮。

因?yàn)橐坏┱莆辗椒?，可以用基因突變培育出更好的作物，還可以幫助科學(xué)家開(kāi)發(fā)新的方法，來(lái)治療突變引起的癌癥。

質(zhì)疑：幸存者偏差？

這篇論文的通訊作者為J.Grey Monroe，加州大學(xué)戴維斯分校植物科學(xué)系助理教授，2019年畢業(yè)于科羅拉多州立大學(xué)博士學(xué)位。

而他發(fā)布這一研究成果的個(gè)人推特下引來(lái)了極為廣泛的討論，一個(gè)最直接的質(zhì)疑就是：

你怎么保證這不是一種幸存者偏差？

這是一張解釋幸存者偏差的非常經(jīng)典的“飛機(jī)機(jī)身彈孔”圖：

從機(jī)身上不同位置的彈孔數(shù)判斷，中彈最嚴(yán)重的機(jī)翅應(yīng)該被加固，而沒(méi)有多少?gòu)椏椎臋C(jī)艙則不需要。但事實(shí)上，打中機(jī)艙飛機(jī)會(huì)直接墜毀，根本就沒(méi)有再回來(lái)被統(tǒng)計(jì)彈孔數(shù)量的機(jī)會(huì)。

這條評(píng)論背后，質(zhì)疑的是：

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是存活個(gè)體，那些嚴(yán)重危害生存的突變個(gè)體可能根本就沒(méi)活下來(lái)，所以測(cè)得的結(jié)果都是非致命突變。

還有，參與基因表達(dá)、個(gè)體發(fā)展、組織分化的表觀基因組可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的“突變率”。

有不少評(píng)論也提出了相似的觀點(diǎn)，認(rèn)為論文所說(shuō)的的突變率更低的基因組區(qū)域，或許本來(lái)就是保守的，不易變異的區(qū)域。

比如說(shuō)保守序列（Conserved Sequences）就是一種在進(jìn)化過(guò)程中保留下來(lái)的特定序列，不易變異，一般可以上推到物種進(jìn)化初期。

而由于作者自己提出：我們的發(fā)現(xiàn)似乎與現(xiàn)有的“最早的突變完全隨機(jī)”的理論相悖，有人還想到了生物學(xué)上那個(gè)著名的“用進(jìn)廢退”理論，問(wèn)到：

這是要給拉馬克平反？

拉馬克最出名的就是他“用進(jìn)廢退”的觀點(diǎn)，即生物經(jīng)常使用的器官會(huì)逐漸發(fā)達(dá)，而不使用的器官會(huì)逐漸退化。

換句話說(shuō)，也就是先選擇，再變異。

對(duì)此，通訊作者Grey Monroe在一篇后續(xù)的會(huì)議文檔中肯定地回復(fù)道：

這并非本篇論文的主題。

他表示，這項(xiàng)研究只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在某些情況下，突變是非隨機(jī)性的，并且是具有環(huán)境適應(yīng)性的，這為生命進(jìn)化的研究提供了新的證據(jù)和思路。

不過(guò)Grey Monroe也在最后表示，從歷史上來(lái)看，“突變是隨機(jī)的”顯然是一個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)單的斷言，或者“糟糕的假設(shè)”，而他很高興這篇論文引發(fā)了對(duì)這一理論的廣泛討論。

論文：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04269-6

參考鏈接：

[1]https://twitter.com/Grey_Monroe[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220112121512.htm

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“量子位”（ID:QbitAI），作者：博雯 豐色，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 進(jìn)化論 基因突變 論文