?文章轉(zhuǎn)自《環(huán)球科學》

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生物會可能根據(jù)需要產(chǎn)生適應性突變嗎？?

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1944年，哥倫比亞大學的遺傳學博士生伊夫琳·威特金做實驗時出現(xiàn)了一個偶然的失誤。她在紐約冷泉港實驗室做的第一個實驗中，不小心用致死量的紫外線照射了數(shù)百萬個大腸桿菌（E. coli）。當她第二天回去檢查樣品的時候，那些大腸桿菌都死了——除了其中一個樣品中的四個細胞，它們存活了下來，并且能夠繼續(xù)生長。這些細胞奇跡般地耐受了紫外線的照射。威特金猜測，這個培養(yǎng)基里的細胞恰好出現(xiàn)了能讓它們生存下來的突變，似乎是個非常幸運的巧合——巧合到她開始懷疑這究竟是不是個巧合。

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在接下來的二十年間，威特金一直致力于研究這些突變?yōu)槭裁磿霈F(xiàn)以及是怎么出現(xiàn)的。她發(fā)現(xiàn)了一種被稱為SOS反應的機制，這是一種細菌基因組被破壞時采用的DNA修復機制，在這個過程中幾十個基因變得活躍、突變率上升。一般來說，這些額外的突變多數(shù)對生物體是有害的，但它們使適應環(huán)境成為了可能，比如發(fā)展出的紫外線和抗生素抗性基因。

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從那時起，困擾進化生物學家的問題就是，這種現(xiàn)象是自然的安排嗎？這種突變增加僅僅是基因自我修復過程中的一個附帶的結果；還是，像一些研究者聲稱的那樣，突變率增加本身就是一種進化出的適應性，有助于細菌在壓力環(huán)境中更快地進化出有利的特征？

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這個問題極具挑戰(zhàn)性，科學家不僅需要有力地證明惡劣環(huán)境能引起非隨機突變，還需要一種分子生物學上合理的解釋，一種讓這種“幸運突變”變得更頻繁的機制。幾十年來，科學家們在細菌和更復雜的生物體中做了很多研究，不斷尋找著問題的答案。

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最新的答案來自一項對酵母的研究，這項研究六月份發(fā)表在PLOS Biology上，這可能也是目前的最佳答案。劍橋大學巴布拉漢姆研究所（Babraham Institute）分子生物學和遺傳學家喬納森·豪斯利（Jonathan Houseley）領導的研究小組提出了一種突變機制，這種機制能在酵母基因組里與適應性有關的區(qū)域引發(fā)更多的突變。

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“這是一種全新的機制，它表明環(huán)境可以對基因組產(chǎn)生影響，從而能夠根據(jù)需要產(chǎn)生適應性突變。目前為止，這是我們看到的指向性最明確的突變機制之一?！必惱蔗t(yī)學院分子和人類基因?qū)W教授菲利普·海斯廷（Philip Hastings）說，他并沒有參與豪斯利的實驗。其他的一些科學家也對這項工作表示贊賞，不過他們當中大部分還是認為這項研究推測的成分比較大、還需要更多數(shù)據(jù)支持。

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增加基因多樣性

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“我并沒有考慮‘突變是不是一直是隨機的？’這類寬泛的問題，而是選擇了一個更可行的方法?！焙浪估f。他和他的同事們把注意力放在了一種叫做拷貝數(shù)變異（copy number variation）的特殊突變上。DNA經(jīng)常會包含多個核苷酸序列甚至整個基因的拷貝。例如，人類正常染色體拷貝數(shù)是2，有些染色體區(qū)域拷貝數(shù)變成1或3，該區(qū)域就發(fā)生了拷貝數(shù)變異，位于該區(qū)域內(nèi)的基因表達量也會受到影響。其原因是細胞在細胞分裂之前會進行DNA復制，這時可能會發(fā)生一些錯誤，導致一些基因片段過多地擴增或缺失。在人類個體中，5％至10％的基因組都會出現(xiàn)拷貝數(shù)變異——其中一些已知變異與癌癥、糖尿病、自閉癥和很多遺傳疾病相關。豪斯利懷疑，至少在某些情況下，基因拷貝數(shù)的這種變化可能是對環(huán)境中壓力或危險的反應。

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2015年，豪斯利和他的同事描述了一種機制：酵母細胞內(nèi)似乎發(fā)生了一種與核糖體（合成蛋白質(zhì)的細胞部分）有關的拷貝數(shù)變異，這使得基因產(chǎn)生了額外的拷貝數(shù)。然而，他們并沒有證明這種變化是針對細胞環(huán)境變化或限制產(chǎn)生的適應性反應。盡管如此，對他們來說，在營養(yǎng)豐富、合成蛋白質(zhì)的需求可能更高的時候，酵母似乎完成了更多的核糖體基因拷貝。

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因此，豪斯利決定檢測類似的機制會不會作用在直接被惡劣環(huán)境激活的基因中。?在2017年的論文中，他們關注了CUP1，一種幫助酵母抵抗環(huán)境中銅的毒性作用的基因。他們發(fā)現(xiàn)酵母暴露在有銅的環(huán)境中時，CUP1的拷貝數(shù)多樣性增加了。大多數(shù)細胞的CUP1基因拷貝數(shù)較少了，但大約有10%的酵母獲得了更多的拷貝數(shù)，而這些細胞對銅的耐受性更好且長勢更佳?！吧贁?shù)細胞做了正確的事情，”豪斯利說，“正是因為他們有這樣的優(yōu)勢，才能夠勝過其他所有細胞?！?/span>

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但是這種變化本身并沒有太大的意義：如果環(huán)境中的銅會引起突變，那么CUP1拷貝數(shù)多樣性的改變可能只是更高突變率帶來的一個沒有特殊意義的結果。為了排除這種可能性，研究人員巧妙地改造了CUP1基因，讓它不對銅，而是對無害的、不會導致突變的糖——半乳糖做出反應。當這些特殊的酵母細胞暴露在半乳糖環(huán)境下的時候，基因拷貝數(shù)多樣性也發(fā)生了變化。

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這些細胞似乎是在指示基因組中可能有用的位置產(chǎn)生更多的變異一樣。在之后的工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象背后的生物學機制。我們已知在細胞復制DNA時，復制機制有時候會停滯。通常，復制可以在停止的地方重新啟動。如果不能重新啟動，細胞可以回到復制過程開始的狀態(tài)，但是這樣做時會導致一些基因序列的意外缺失或增加。這就是通常導致拷貝數(shù)變異的原因。但是，豪斯利和他的團隊認為，有些因素的綜合作用能使這些拷貝錯誤出現(xiàn)的可能性更高，它們往往發(fā)生在能夠積極響應環(huán)境壓力的基因中，這意味著這些基因更有可能發(fā)生拷貝數(shù)變異。

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重要的是，這些效應發(fā)生在能響應環(huán)境變化的基因中，從而能夠給自然選擇更多的機會來找到最佳基因表達水平，以應對惡劣的環(huán)境。豪斯利小組的結果似乎提供了實驗證據(jù)——惡劣的環(huán)境可以刺激細胞控制那些最能提高它們適應能力的基因變化。他們似乎也讓人聯(lián)想起法國自然學家讓-巴蒂斯特·拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）在達爾文理論之前的觀點，他認為生物通過將他們從環(huán)境獲得的特征傳遞給他們的后代來進化。然而，豪斯利認為，這種相似性只是表面上的。

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“我們所定義的是一種完全脫胎于達爾文隨機突變的機制，這種機制可以刺激有益位點發(fā)生不完全隨機的突變，”豪斯利說。?“這不是拉馬克的適應進化理論，這只是和拉馬克的適應理論得到了同樣的結果，但是不存在后者的一些問題。”

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適應性突變

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1943年，微生物學家薩爾瓦多·盧里亞（Salvador Luria）和生物物理學家馬克斯·德布魯克（Max Delbrück）在實驗中表明，大腸桿菌突變是隨機發(fā)生的，并憑借這項研究獲得諾貝爾獎。從那時起，像細菌SOS機制這樣的發(fā)現(xiàn)開始使一些生物學家懷疑，隨機理論是否存在重大漏洞。例如，1988年在《自然》雜志上發(fā)表的一篇有爭議的文章中，哈佛大學的約翰·凱恩斯（John Cairns）和他的研究小組發(fā)現(xiàn)，當他們將不能消化乳糖的細菌放置在以乳糖為唯一食物來源的環(huán)境中時，這些細胞很快進化出了將乳糖轉(zhuǎn)化為能量的能力。凱恩斯認為，這一結果表明，細胞具有能優(yōu)先進行某些有益突變的機制。

圖片來自喬納森·豪斯利

釀酒酵母（S. cerevisiae）在瓊脂培養(yǎng)基上的菌落。 如果這些研究結論無誤，這些細胞中的DNA損傷修復機制也可以促進更多的適應性突變，可以幫助細胞在惡劣的環(huán)境下更迅速地進化。

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雖然這一想法最終被證明缺乏實驗支持，但一些生物學家逐漸成為這種更廣泛的適應性突變理論的支持者。他們認為即使細胞不能指導在特定環(huán)境中所需要的精確突變，也可以通過提高它們的突變率來促使基因發(fā)生變化。

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豪斯利小組的工作似乎印證了這一觀點。在酵母的遺傳機制中“沒有一種叫做‘我找到解決問題的基因了，我們把它突變了吧’的機制，”印第安納大學的生物學家帕翠西婭·福斯特（Patricia Foster）說，“但是這些研究表明進化可以加快?！?/span>

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貝勒醫(yī)學院的的海斯廷同意這個觀點，同時贊揚了豪斯利的機制解釋了為什么額外的突變不會發(fā)生在整個基因組中。“它需要轉(zhuǎn)錄一個基因才能發(fā)生?！彼f。

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然而，適應性突變理論在大多數(shù)生物學家中很少被接受，其中很多人對凱恩斯的原始實驗和豪斯利新的實驗都持懷疑態(tài)度。他們認為，即使在環(huán)境壓力下更高的突變率能產(chǎn)生適應，仍然難以令人信服地證明，較高的突變率本身就是對壓力的適應。加利福尼亞大學戴維斯分校的遺傳和微生物學家約翰·羅斯（John Roth）說：“這種解釋是很有吸引力的，但我不認為是對的。 我不認為任何這些應激誘變的例子是正確的。這個現(xiàn)象可能還有一些其他不那么直觀的解釋?！?/span>

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賓夕法尼亞大學的生物學家保羅·西尼戈夫斯基（Paul Sniegowski）說：“我認為[豪斯利的工作]很出色，與適應性突變的爭論很有相關性。但是，它仍然只是一個假設。為了能更好地驗證這個想法，他們必須用進化生物學家的方式來進行檢驗——創(chuàng)建一個理論模型，檢測這種適應性變異能否在一段時間里演變，然后讓實驗室中的生物群體里按這種機制進化?！?/span>

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雖然有不少懷疑者，?豪斯利和他的團隊仍然在堅持研究這種機制與癌癥和其他生物醫(yī)學問題的相關性。豪斯利說：“化療耐藥性癌癥的出現(xiàn)很常見，并且是治愈疾病的主要障礙?！彼J為化療藥物和其他對腫瘤細胞的壓力可能會促使惡性細胞進一步突變，包括產(chǎn)生抗藥性的突變。如果這種抗藥性確實是通過他在酵母研究中所發(fā)現(xiàn)的機制促成的，那么它可以很好地為我們提供一種新的藥物靶點。癌癥患者不僅可以接受正常的化學療法，也可以通過抑制可能導致抗性突變的生化修飾來進行治療。

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“我們正在積極努力，”豪斯利說，“但這項研究還處于初期階段?！?/span>

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撰文?喬丹娜·卡佩勒維克茲（Jordana Cepelewicz）

翻譯?張若瑜

編輯?王妍琳

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原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/beating-the-odds-for-lucky-mutations-20170816/

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