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“自私”的基因违逆演化规律

时间: 2016年07月01日 | 作者: Tina Hesman Saey | 来源: ScienceNews
一个名为R2D2的基因可能会损害小鼠的生育能力,但是却可以通过特殊的手段在小鼠群体中传播开来。

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【图注】图示小鼠的品系为马来西亚沃Watkins Star Line B,简称WSB)。研究人员最早从该品系小鼠体内发现了自私基因——R2d2的存在。图片来源:Jennifer L. Torrance,Jackson实验室

 

 

在电影《星球大战》中,机器人R2D2是一名英勇的反叛者。而在动物世界里,“不法分子”R2D2仍干着老本行,成了彻头彻尾的“自私基因”。它的存在颠覆了传统的基因遗传定律和达尔文演化论。R2d2善于把自己伪装成有益的突变体而在家鼠群体中大肆扩散,实际上却在损害其生育能力。相关研究结果在线发表于《分子生物学与演化》(Molecular Biology and Evolution)期刊上。

 

这项新的研究表明,即便某些基因的存在是不利于生物的演化发展,但它们却能“瞒天过海”,照旧扩散到生物群体的后代中去。此前,研究人员们一直希望利用工程化的“基因驱动”技术来消除蚊媒传染病以及入侵物种。该发现或许能为此带来新的曙光。但是,这些自私基因的发现对于科研工作者们而言,也是一个警示,告诫着他们:劣势基因并非总会被淘汰,不能总将精力放在那些通过了自然选择考验、具有所谓演化优势的基因上。

 

美国罗切斯特大学的演化遗传学家Daven Presgraves指出“倘若研究人员不够谨慎,他们可能就会被蒙蔽,认为自私的基因具有一定的演化优势。“他说,遗传特性看上去的确是相同的,但对于这种基因,所谓的“适者生存”很可能不过是一种虚假的繁荣罢了。

 

此前就职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校的遗传学家John Didion及其同事检测了来自欧洲、美国以及其他地区的野生小鼠的DNA样本,试图确定R2d2在物种群体中的普遍程度。此外,研究人员还在实验室培育出了实验小鼠品系,以弄清R2d2快速传播的秘密。他们发现,实验小鼠种群在繁育了13代后,体内R2d2的等位基因频率(R2d2基因在小鼠染色体中所占的百分比)由18%剧增到了62%。

 

而在另一个小鼠的培育品系中,R2D2在染色体中的比例,在第10代时,从50%增加到了85%,而在第15代后,达到稳定——它已经出现在了所有的后代中。这个速度,比Didion及其同事通过计算机模拟所预测的184代后所有后代会携带R2D2,快了太多。Didion现在任职于美国国家人类基因组研究所(位于马里兰州的贝塞斯达)。

 

对于生物体而言,有利于其生存的某个基因变种会随着时间的推移而大规模增加,并最终取代所有其他等位基因,该过程被称为“选择性清除”(selective sweep)。“选择性清除”成为了一个基因帮助机体适应环境的最好佐证。然而,美国犹他大学的Nitin Phadnis却指出,R2d2的研究结果表示,看似适应的结果,可能只是自私的基因在其中做了手脚罢了。

 

早在2015年,北卡罗莱纳大学教堂山分校的研究人员就发现,R2d2是个“自私的基因”,总想着让自己能优先地被遗传给后代。虽然与机器人同名,但实际上,R2d2是小鼠第2号染色体上的一个DNA片段,含有Cw22基因的多个拷贝。当Cw22基因的拷贝数达到7甚至更多之后,R2d2就变得“自私”起来了。在雌性小鼠体内,含有Cw22多拷贝的染色体会排挤不含该“自私“基因的其他染色体,从而更容易被分配到卵子中。这显然有悖于孟德尔提出的遗传定律,即“亲代细胞的染色体或基因应该被均分到子细胞中”。但是,自私是要付出代价的。比起不含自私性R2d2的卵子而言,一旦某个卵子拥有自私性R2d2的一个拷贝,就难逃体积减小的命运。一般而言,小体积的卵子不利于后代的生存。

 

从演化规律来讲,自然选择会淘汰生育能力较弱的R2d2。但实验事实表明,自私的DNA片段战胜了自然选择。

 

即便是最高明的骗术也难逃被拆穿的命运。Didion及其同事发现,自私基因会随着地域的不同而呈现多样式分布。以来自美国两处试验点及欧洲的野生型小鼠为例,R2d2在其中的分布比例就各不相同。R2d2最先是在马里兰品系的小鼠体内被发现的,其基因频率达21%。而在某德国品系小鼠中则为67%,在希腊品系中只有8%,在(美国)加尼福尼亚品系中甚至不存在。看来,这个自私基因的扩散还未能遍及全球。

 

基于实验结果,研究人员原本以为能在所有被测的野生型小鼠体内检测到这类“不靠谱”DNA的存在。但是,来自南加州大学(位于洛杉矶)的演化遗传学家Matthew Dean却谈道,有些品系的小鼠或许已经演化出了一套方法用以抑制基因的自私性,降低其在体内所占的比例。

 

撰文:Tina Hesman Saey

翻译:许伟凡

审校:冯  薇

 

原文链接:

https://www.sciencenews.org/article/selfish-dna-flouts-rules-inheritance?mode=topic&context=87


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