Current Biology | 环境稍变差，基因频突变

来源：BioArt

随机突变一直是遗传学和演化生物学的研究热点。长时间以来人们认为一个物种的突变速率是基本恒定的，且与环境无关。Salvador Luria 和 Max Delbrück还因证实在特定环境中有利突变的产生不依赖这一环境而荣获1969年诺贝尔生理学或医学奖。但近三十年来已经有研究表明在极端恶劣的环境下，大肠杆菌等物种的突变率会大幅提高。这些实验通常会使用抗生素或者饥饿等比较极端的环境【1】。这些环境会大幅降低实验生物的存活率及生长速度，不能代表自然界中常见的环境。所以极端恶劣环境下的高突变率对生物演化的影响可能十分有限。但是如果物种在不同的良性环境下也呈现出不同的突变率，则这一现象就可能会对演化过程有重要影响，因为几乎没有哪种生物有永恒不变的环境。同一物种在不同良性环境下是否会呈现不同的突变率？如果不同的话，跟环境有怎样的关系？这背后的机制又是什么？

为回答上述问题，近日，美国密歇根大学生态学与演化生物学系刘昊轩博士与张建之教授在Current Biology杂志上发表文章Yeast Spontaneous Mutation Rate and Spectrum Vary with Environment，利用出芽酵母为研究对象，检测了其在七种不同环境下的突变率和突变图谱，发现酵母的生长速度与突变呈现出负相关。

研究人员选用的物种是常用的模式生物——出芽酵母，并为酵母创造了七种不同的良性环境，酵母在这七种环境中都有着很高的存活率，但是有稍微不同的生长速度。为了检测突变率，研究人员使用了突变累积（mutation accumulation）加全基因组测序的方法。该方法可以检测酵母在七种不同环境下的突变率及突变图谱。

结果显示酵母即使在不同的良性环境下也会呈现出不同的突变率，不同环境间的突变率差异有近四倍之多。不仅如此，突变的分子图谱，比如碱基的不同突变方向、转换颠换比，也随环境的变化显示出很大的变化。在此之上，研究人员还发现在不同环境中，酵母的生长速度与突变率呈显著负相关，也就是说，在酵母生长越慢的环境中，每代突变率越高。最后研究人员检验了这一现象的机制是否与易错DNA聚合酶（error-prone polymerase）的表达有关，但是并没有找到这二者间的相关性。

分子钟（molecular clock）指的是基因的碱基替换速率在不同演化谱系中是基本恒定的。分子钟是支持中性理论的重要证据之一【2】。但是中性理论预测的分子钟应该是以每代为单位，而实际检测到的分子钟是以每年为单位。中性理论的创始人木村资生也为此感到困扰。该研究结果提供了一个可能的解释：虽然分子钟应该是以每代为单位，但是物种的一代时间随自然界环境变化而变化，好环境中一代的时间更短，坏环境中一代的时间更长，而随机突变的速率也随环境变化而变化，好环境中突变率低，坏环境中突变率高。突变率的变化多少“补偿”了一代时间长短的变化，导致最终检测到的分子钟是以每年为单位。

这一研究结果提示突变率普遍随环境变化而变化，并且在生长速度低的环境中呈现出更高的突变率。这意味着在环境压力变大时，生物会产生更多的突变，从而将有利适应性演化，对研究适应性演化 (adaptive evolution) 和中性演化 (neutral evolution) 都可能有深远影响。另外，这一结果也挑战了一些用来检测自然选择的方法。当前很多方法通过对比实验条件下随机突变图谱和自然种群中存在的碱基替换图谱来推断是否有自然选择的存在。如果随机突变图谱会随实验环境变化而变化，这些方法就会不那么可靠。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.03.054

参考文献

1. Williams, A.B., and Foster, P.L. (2012). Stress-induced mutagenesis. Ecosal Plus 5, https://doi.org/10.1128/ecosalplus.7.2.3.

2. Zuckerkandl, E., and Pauling, L. (1965). Evolutionary divergence and convergence in proteins. In Evolving Genes and Proteins, V. Bryson, and H.J. Vogel, eds. (Academic Press), pp. 97–166.