西湖大學甄瑩博士重新評估不同物種間適應性演化的差異

2020-12-23 中國生物技術網

近期，西湖大學生命科學學院從事演化生物學方向的PI甄瑩博士在基因與遺傳學期刊Genome Research上發表了題為Greater strength of selection and higher proportion of beneficial amino acid changing mutations in humans compared to mice and Drosophila melanogaster的最新研究成果，該項研究重新評估了人與黑猩猩間蛋白編碼區非同義差異受正向選擇影響的比例，發現這些分化的位點中至少20%是受正向選擇所影響，並進一步發現不同物種間的新突變中有益突變的比例和強度存在差異，人有比小鼠和果蠅更多更強的新的有益突變。

甄瑩研究員為第一作者兼共同通訊作者，加州大學洛杉磯分校Kirk Lohmueller教授為共同通訊作者，共同作者還有澳大利亞阿德萊德大學的Christian Huber博士和加拿大兒童醫院的Robert Davies博士。

當基因組DNA上發生突變，會有三種可能的後果：如果這個突變有利於該物種生存和繁衍，是「好」的、「有益」的突變，那麼這個突變將受正向選擇的影響，攜帶這個突變的個體將有更高的可能性將自己的基因傳遞下去；如果這個突變「不好」，不利於物種的生存和繁衍，這種「有害」的突變就會被慢慢被淨化選擇淘汰掉；而中性突變顧名思義則是那些對物種生存繁衍沒有影響、沒有功能的突變，中性突變不受自然選擇的影響，主要受隨機因素和物種種群歷史的影響。

與「有益」的突變相關的適應性演化讓一個物種「更好」地存活繁衍、更適應環境、也更大可能把自己的基因傳遞下去，因此，適應性演化是很多科學家關注的熱點。

0%→20%

重新評估人與黑猩猩間蛋白編碼區受正向選擇的比例

通常，我們會把自然界中親緣關係十分相近的物種稱之為姐妹物種，例如人類和黑猩猩，他們的基因組有很大的相似之處。根據全基因組測序顯示，人類和黑猩猩的基因組DNA序列至少有96%是完全一樣的，而剩下不到4%存在不同，這些不同定義了人類和黑猩猩這兩種不同的物種。然而，即便是這4%也不是都有功能的變異，其中有一部分是中性無功能差異。

那麼，這些姐妹物種基因組間DNA的差異裡多少是無功能的，多少又是受正向選擇作用而與適應性演化相關的呢？

此前已經有研究表明，在不同物種中，姐妹物種基因組間蛋白編碼區的胺基酸替換突變中受正向選擇影響的比例差異巨大，比如人類和黑猩猩的差異，估算結果0%是正向選擇的結果，根據不同的算法，甚至有時結論呈現負的，這與已經在人類基因組中找到的很多受正向選擇的基因案例相矛盾；然而，測算果蠅的姐妹物種基因組則發現,其中胺基酸替換突變中50%以上都是正向選擇決定的。

為什麼不同物種會有這麼大差異？為什麼人與黑猩猩的適應性演化會如此少？科學家一直在試圖優化模型以解釋這個現象，然而，截止目前還是沒有得到一個準確的答案。

甄瑩博士和合作者們發現，這其中遺漏了一個重要的影響因素——共同祖先種群的歷史信息。種群歷史對近中性變異的固定影響巨大，不正確的歷史模型可以影響對正向選擇比例的定量，然而已有的教科書中的經典方法沒有將該因素考慮進去，這就可能導致了對適應性比例的估算不準確。

於是，甄瑩博士利用現有的數據，通過全新的模型和方法重新評估人與黑猩猩間蛋白編碼區非同義差異受正向選擇影響的比例，重點更正了人和黑猩猩分化前共同祖先的有效群體數量，發現胺基酸替換突變中至少20%是受正向選擇所影響，第一次將人受到適應性演化影響提高到如此高的比例。

簡單模型和改進的複雜歷史模型，簡單模型低估了適應性分化的比例

從終點倒推回起點

關於新突變的發現

為什麼人類基因組中受到正向選擇影響的比例與其他動物相比差異如此巨大？哪怕是修正後的20%，與果蠅的50%相比，仍天差地別。

此前的研究樣本和數據均針對已經在物種中固定的突變，如果說這些固定的突變是演化過程的「終點」和「結果」，那麼新突變則是一個「起點」。在逐步了解「終點」的同時，甄瑩博士開始思考，「終點」的不同是否與「起點」的不同相關。

於是，甄瑩博士選擇了一個全新的角度——研究新突變在不同物種中有什麼不同。

「終點」與「起點」的不同在於，「終點」處的固定突變多數是中性或者「有益」的，經過數百萬年的演化，不利於生存繁衍的「不好」的突變已經被淘汰了。而「起點」處的新突變則主要是「不好」的或者是「中性」的。這是因為每個物種的基因組都經過長時間演化達到對其環境適應的穩態，隨機發生的突變從比例上說絕大部分要麼發生在沒有功能的基因組區間，是中性的；要麼發生在現有的功能重要的基因組區間、會破壞已有的功能，這種突變則和疾病相關。在現有基因組基礎上能進一步提升適應性的新突變的發生比例非常少，在群體遺傳學研究中基本可以被忽略。

於是，該研究更進一步，估算了新突變中有益突變的比例和強度，並建立了全新方法來對不同物種進行比較，最終發現不同物種間的新突變的比例和強度不同，與小鼠和果蠅相比，人類反而有更多更強的新突變。這個在新突變中得到的結論，與在固定突變中的修正數據對比情況，截然相反。

對不同物種適應性演化的正確定量和比較，是為了我們能夠進一步理解適應性演化受什麼因素影響、受什麼因素限制。或者說，為什麼不同物種基因組受適應性影響的比例不同？什麼因素限制了物種適應的潛力？

演化生物學領域，這方面的經典假說有很多，例如如果適應性演化受有益突變的數量限制，那麼群體數量越多，總體突變數量就越多，有益突變的數量也相應會更多；也有假說認為環境變化的速度對適應性影響比種群數量更大，因為環境變化為新的適應提供了機會；另有假說認為物種的複雜度是影響適應性的主要因素，越複雜的物種越難適應新環境，因為複雜系統的突變會受到更多維度的限制，適應則需要更多的有益突變。

該研究結果發現在人類中有更多的有益新突變。與小鼠和果蠅相比，人類的有效群體數量更小、經受的環境變化更多、生物複雜度更高，所以該研究結果推翻了群體數量的假說，與環境變化和生物複雜度假說的預測保持一致。

至於造成物種間適應性不同的根本原因，還有待科學家們繼續探索和發現。

人、果蠅、小鼠中有益新突變的強度和比例的預測及比較

文章連結：

https://genome.cshlp.org/content/early/2020/12/14/gr.256636.119

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