科学家探索物种间DNA组成多样性背后的奥秘学术资讯

▲DNA双螺旋结构

近日，来自亚利桑那州立大学的Michael Lynch等在《自然生态与进化》杂志上发表了一项研究，指出在进化过程中，DNA的G 和C碱基通常受到自然选择的偏爱。

DNA是绝大部分生物的主要遗传物质，与物种进化密切相关。DNA由脱氧核糖核苷酸组成，而脱氧核糖核苷酸根据其所带的碱基(腺嘌呤A, 鸟嘌呤G, 胸腺嘧啶T, 胞嘧啶C)不同分为四种：dAMP, dGMP,dTMP,dCMP。每一条DNA链通过碱基互补配对原则（A总是与T配对，G总是与C配对）与另一条互补链通过氢键形成双螺旋结构。即四种含氮碱基的比例在同物种不同个体间是一致的，但在不同物种间则有差异。物种基因组的G+C与A+T含量不是简单的固定百分比，或者是标准的1:1。例如，酵母基因组的G+C含量是38％，玉米等植物47％，人类约41％。

为什么在物种之间会有差异？DNA本身的化学性质是否有利于一种核苷酸，或者突变压力的偏倚是否有所不同？ DNA突变是普遍的，突变驱动进化。其中碱基突变包括A/G/T/C四个碱基之间的互换。基因组中某些错误被引入并传递给下一代，从而随着时间的推移，创造出新的适应性或特性。

Lynch小组先从分析大约40种物种的基因组水平突变谱开始，他们检查了不同物种的每一个DNA突变，测序了数十亿个碱基。他们还分析了25个通用的突变数据集和12个新的突变-积累（MA）实验。在每个MA实验中，他们对大约50种不同细菌系进行了完整的基因组测序，这些细菌系已经通过严格的单细胞瓶颈传代，已经历了数千次细胞分裂。每一个系上的单细胞通道就像是一个过滤器，能够去掉除最严重且有害突变以外的，对累积进行修改的自然选择的能力，从而能测量绝大部分突变，而不会出现偏倚。每一代都精确测量了突变率。结果发现G+C含量实际值总是显著高于基于DNA突变计算出的理论值。证明进化选择偏爱G和C而G+C富集过程通过突变完成。为什么进化会倾向于G和C？

一个可能原因是DNA组成单元的化学特性驱动DNA稳定性。保持DNA两条链互补配对的力量是氢键：G-C碱基对有三个氢键，而A-T只有两个。而三个氢键比两个更稳定。生物学界普遍认为G+C含量的上升增加了基因组的稳定性。

另一种可能是在繁殖期间，当两个亲本的DNA链缠绕共同形成一个受精卵时，碱基配对中可能出现错配，导致DNA校正酶必须随后修复的错误。有时候，G可以变成A，或T变成C，在错配修复过程中转换基因。而通常认为这个过程倾向于突变成G和C。

目前仍有很多问题值得探索。例如物种间为什么有不同的突变谱？有些物种的突变谱是AT更丰富，有的是GC更丰富的。

参考文献： Evolutionary determinants of genome-wide nucleotide composition. Nature Ecology & Evolution, 2018; DOI: 10.1038/s41559-017-0425-y

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编译：伊幻审稿：阿淼编辑：张梦

来源：https://www.sciencedaily.com