脆弱的DNA区域是脊椎动物进化的关键

根据斯坦福大学的一项研究，易受破坏和损失的DNA区域是重要进化变化的遗传热点。这些发现可能会导致对人类进化的新认识。斯坦福大学医学院的研究人员进行的一项研究表明，在复制过程中易受缺失的DNA区域可能使脊椎动物成功适应进化过程中迅速变化的环境条件。该研究表明，一些关键的进化变化很可能是通过DNA片段的突然丧失而突然发生的，而不是通过许多小突变的缓慢积累和累加效应。

研究了一种叫做三尖松背鳍的小鱼的研究人员发现，这种“脆弱的”DNA区域产生的遗传热点比邻近的序列更快速，更显着地发生突变。由此产生的变化可以帮助有机体保险库在进化军备竞赛中远远领先于同行。

虽然已经在细菌中描述了类似的发现，但这是最早的研究之一，表明在脊椎动物中发生了相同的过程以在身体结构中产生显着的变化。它还解决了进化生物学中一个长期存在的谜团。

“有很多证据表明，不同种群或物种的相同基因往往是造成类似进化变化的原因，”发育生物学教授大卫金斯利博士说。“目前尚不清楚这是为什么会发生这种情况。这项研究在生物化学水平上描述了DNA中的原子和序列，特定类型的突变如何反复出现，从而促成了复杂的骨骼特征的演变。这是一个很好的例子，说明DNA脆弱性有时可以促成有利的特性，而不是自然种群中的疾病，它可以为我们提供关于人类进化过程的重要见解。“

金斯利是霍华德休斯医学研究所的研究员，该研究的高级作者于1月4日在“ 科学”杂志上发表。研究生Kathleen Xie是该作品的第一作者。

变化大，效果大

许多突变涉及DNA的单个核苷酸或字母的变化。这些“点”突变很少会给自己带来进化优势。相反，重大变化通常需要逐渐积累几种此类突变。相反，例如，基因组中的突然的大的变化可以具有大的效果 - 通过骨骼修改或影响代谢或脑功能来改变身体结构。通常，这些变化是有害的，降低了动物生存的机会。然而，偶尔，这些变化是有利的。

当最后一个冰河时代结束时，大约一万年前，一些迁徙海洋的三足动物群落在沿海地区的新形成的湖泊和溪流中殖民，然后根据其新的当地环境独立进化。结果，许多这些人群在身体结构上显示出显着差异。例如，海洋棘爪具有后鳍，其大骨头从骨盆结构向下突出。相比之下，数十个淡水种群已经失去了后翅; 它的缺失可能会减少他们对钙的需求以及被饥饿的昆虫啃食和吃掉的可能性。

以前在金斯利实验室进行的研究已经确定了特定DNA调节区域(称为Pel增强剂)的丢失，这是许多淡水鱼群中缺失的后鳍的重复原因。Pel增强剂驱动触发后翅发育所必需的蛋白质的表达。在这项研究中，谢使用海洋棘鱼DNA来研究其淡水兄弟中缺失的Pel区域，以了解该区域为何特别易受损失。

谢发现Pel区域的DNA序列在几个方面是不寻常的。与周围区域不同，周围区域表现出与大多数DNA相关的正常，更稳定的螺旋扭曲，丢失的Pel增强区域形成了预测为高度灵活且在DNA复制期间可能不稳定的替代DNA结构。序列还包含长串重复的核苷酸对，就像一种遗传口吃。以前对细菌，小鼠和人类的研究表明，这些重复通常与DNA片段的缺失有关。

更频繁的染色体断裂

当Xie 通过将缺失的Pel 区域插入人工酵母染色体中来测试缺失的Pel 区域的稳定性时，她发现染色体比典型的DNA序列突破了大约25到50倍。当谢和她的合作者在哺乳动物细胞中测试相似的DNA序列时，他们观察到关键的二核苷酸重复序列经常导致超过100个核苷酸长的DNA切片的缺失。

谢所观察到的染色体断裂率的增加，以及这种损伤导致DNA整个切片缺失的可能性，可能是允许突出的后翅骨骼特征在许多不同的情况下反复出现的关键因素。年轻的顽固人群。科学家认为，当其他生物体中出现有利特征时，突变率升高可能起到类似的作用。

“许多脊椎动物，包括早期人类，正在处理的人口规模较小，发病时间相对较长，”Kingsley说，他是医学院的Rudy J.和Daphne Donohue Munzer教授。“没有那么多代可用于发展新的，潜在有利的特性。在这些条件下，突变以高速发生并具有清扫效应可能尤为重要。”

当研究人员调查已知的人类适应性变化的实例时，他们发现大约一半是由于突变导致的，与更典型的DNA字母变化相比也会出现更高的变异。

“我们正在学习的是'优胜劣汰'或者潜在有利突变产生的相对速度，有时可能与'优胜劣汰'一样重要，”金斯利说。“突变过程本身对结果有重要影响，突变的到来与其对机体适应性的影响相互作用，从而导致脊椎动物进化发生重大变化。”