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西湖大学甄莹重新评估了不同物种间适应性演化的差异

学术研究

张弛 公共事务部 2020年12月21日

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近期,西湖大学生命科学学院从事演化生物学方向的PI甄莹博士在基因与遗传学期刊Genome Research 上发表了题为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,该项研究重新评估了人与黑猩猩间蛋白编码区非同义差异受正向选择影响的比例,发现这些分化的位点中至少20%是受正向选择所影响,并进一步发现不同物种间的新突变中有益突变的比例和强度存在差异,人有比小鼠和果蝇更多更强的新的有益突变。

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

甄莹研究员为第一作者兼共同通讯作者,加州大学洛杉矶分校Kirk Lohmueller教授为共同通讯作者,共同作者还有澳大利亚阿德莱德大学的Christian Huber博士和加拿大儿童医院的Robert Davies博士。

当基因组DNA上发生突变,会有三种可能的后果:如果这个突变有利于该物种生存和繁衍,是“好”的、“有益”的突变,那么这个突变将受正向选择的影响,携带这个突变的个体将有更高的可能性将自己的基因传递下去;如果这个突变“不好”,不利于物种的生存和繁衍,这种“有害”的突变就会被慢慢的被净化选择淘汰掉;而中性突变顾名思义则是那些对物种生存繁衍没有影响、没有功能的突变,中性突变不受自然选择的影响,而主要受随机因素和物种种群历史的影响。

与“有益”的突变相关的适应性演化让一个物种“更好”的存活繁衍、更适应环境、也更大可能把自己的基因传递下去的,因此适应性演化是很多科学家关注的热点。


0%→20%

重新评估人与黑猩猩间蛋白编码区受正向选择的比例

通常,我们会把自然界中亲缘关系十分相近的物种称之为姐妹物种,例如人类和黑猩猩,他们的基因组有很大的相似之处,根据全基因组测序显示,人类和黑猩猩的基因组DNA序列至少有96%是完全一样的,而剩下不到4%的不同,可以说定义了人类和黑猩猩这两种不同的物种。然而,即便是这4%也不是都有功能的变异,其中有一部分是中性无功能差异。

那么,这些姐妹物种基因组间DNA的差异里多少是无功能的,多少又是受正向选择作用而与适应性演化相关的呢?

此前已经有研究表明,在不同物种中,姐妹物种基因组间蛋白编码区的氨基酸替换突变中受正向选择影响的比例的差异巨大,比如说人类和黑猩猩的差异,估算结果0%是正向选择的结果,根据不同的算法,甚至有时结论呈现负的,这与已经在人类基因组中已经找到的很多受正向选择的基因案例相矛盾;然而,测算果蝇的姐妹物种基因组则发现,其中氨基酸替换突变中50%以上都是正向选择决定的。

为什么不同物种会有这么大差异? 为什么人与黑猩猩的适应性演化会如此少?科学家一直在试图优化模型以解释这个现象,然而,截止目前还是没有得到一个准确的答案。

甄莹博士和合作者们发现,这其中被遗漏了一个重要的影响因素——共同祖先种群的历史信息。种群历史对近中性变异的固定影响巨大,不正确的历史模型可以影响对正向选择比例的定量,然而已有的教科书里的经典方法没有将该因素考虑进去,这就可能导致对适应性比例不准确的估算。

于是,甄莹博士利用现有的数据,通过全新的模型和方法重新评估人与黑猩猩间蛋白编码区非同义差异受正向选择影响的比例,重点更正了人和黑猩猩分化前共同祖先的有效群体数量,发现氨基酸替换突变中至少20%是受正向选择所影响,这第一次将人受到适应性演化影响提高到如此高的比例。

简单模型和改进的复杂历史模型,简单模型低估了适应性分化的比例


从终点倒推回起点——关于新突变的发现

为什么人类基因组中受到正向选择影响的比例与其他动物相比差异如此巨大?哪怕是修正后的20%,与果蝇的50%相比,仍天差地别。

此前的研究样本和数据均针对已经在物种中固定的突变,如果说这些固定的突变是演化过程的“终点”和“结果”,那么新突变则是一个“起点”。在逐步了解“终点”的同时,甄莹博士开始思考,“终点”的不同是否与“起点”的不同相关。

于是,甄莹博士选择了一个全新的角度——研究新突变在不同物种中有什么不同。

“终点”与“起点”的不同在于,“终点”处的固定突变多数是中性或者“有益”的,经过数百万年的演化,不利于生存繁衍的“不好”的突变已经被淘汰了。而“起点”处的新突变则主要是“不好”的或者是“中性”的,为什么呢?每个物种的基因组都经过长时间演化达到对其环境适应的稳态,随机发生的突变从比例上说绝大部份要么发生在没有功能的基因组区间,是中性的;要么发生在现有的功能重要的基因组区间、会破坏已有的功能,这种突变会和疾病相关,在现有基因组基础上能进一步提升适应性的新突变的发生比例非常少,在群体遗传学研究中基本可以被忽略。

于是,该研究更进一步,估算了新突变中有益突变的比例和强度,并建立了全新方法来对不同物种进行比较,最终发现不同物种间的新突变的比例和强度不同,与小鼠和果蝇相比,人类反而有更多更强的新突变。这个在新突变中得到的结论,与在固定突变中的修正数据对比情况,截然相反。

对不同物种适应性演化的正确定量和比较,是为了我们能够进一步理解适应性演化受什么因素影响、受什么因素限制。或者说,为什么不同物种基因组受适应性影响的比例不同呢?什么因素限制了物种适应的潜力呢?在演化生物学领域这方面的经典假说有很多,例如如果适应性演化受有益突变的数量限制,那么群体数量越多,总体突变数量就越多,有益突变的数量也相应会更多;也有假说认为环境变化的速度对适应性影响比种群数量更大,因为环境变化为新的适应提供了机会;另有假说认为物种的复杂度是影响适应性的主要因素,越复杂的物种越难适应新环境,因为复杂系统的突变会受到更多维度的限制,适应需要更多的有益突变。

我们的研究结果发现在人中有更多的有益新突变,与小鼠和果蝇相比,人的有效群体数量更小、经受的环境变化更多、生物复杂度更高,所以我们的结果推翻了群体数量的假说,而与环境变化和生物复杂度的假说的预测一致。

造成物种间适应性不同的根本原因,还有待科学家们继续探索和发现。

人、果蝇、小鼠中有益新突变的强度和比例的预测及比较