科学家探索物种间DNA组成多样性背后的奥秘

科技工作者之家  |   2018-01-08 11:17

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▲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

科界原创

   编译:伊幻  审稿:阿淼  编辑:张梦

来源:https://www.sciencedaily.com

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  • 杨恭铖
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    科学家精神就是自强不息 艰苦奋斗 百折不挠 实事求是 敢于质疑 解决问题等等
  • 李冲
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    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!
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