科学家阐释为何基因组变化速度难以确定

人类基因突变不仅在科幻电影中有描述，它们还能记录进化事件的时间。来源:默里·克洛斯/盖蒂

数学家们一直在计算π，尽管他们已经知道超过12万亿的数字。物理学家也在不断地推动自己，因为他们无法确定超过3个有效数字的重力常数。相比之下，遗传学家在人类DNA突变的速度上面临两难。

这个速率对于校正“分子时钟”非常重要。分子时钟可以在进化史中确定事件的DNA日期。最近，在德国莱比锡举行的人类突变率会议上，12名发言者表示，他们正在试图思考为什么相关比率的计算近年来有所下降。他们仍在思考为什么利率似乎会随着时间而波动。这次会议不仅吸引了进化遗传学家的注意，也吸引了对癌症和生殖生物学感兴趣的研究人员。

“突变是所有遗传疾病和生物适应的最终来源，因此了解突变的发展速度是一个基本问题。”哥伦比亚大学的人类遗传学家莫莉·普热沃斯基说。

甚至在他们知道由DNA编码的遗传信息之前，研究人员就试图在人类的突变率中植入一个数字。20世纪30年代，遗传学先驱霍尔丹提出了一个很好的评估方法，来衡量突变如何影响大家庭中血友病的发病率。

后来的突变率估计计算了人类、黑猩猩和其他猿类之间的DNA和蛋白质氨基酸序列延伸的差异，然后根据化石记录中这些物种的最近共同祖先的出现时间来划分差异。然而，不完整的化石记录极大地影响了这些计算，但是研究人员最终达成了一致意见:平均来说，每个DNA字母每10亿年变异一次。德国马克斯·普朗克研究所的分子人类学家琳达·阿赖德说这是一个“可疑的整数”。

在过去的6年里，“下一代”的DNA测序技术被用于更直接的测量，结果非常不同。许多研究比较了父母及其后代的整个基因组，突变率大约是共同祖先法的一半。

较慢的分子时钟可以很好地协调重要人类进化事件的基因和考古结果，例如走出非洲。然而，当时间回溯得更远时，用慢时钟得出的结论是没有意义的，例如，类人猿和猴子的共同祖先最近遇到了恐龙。许多研究人员不愿意完全放弃旧的数据，开始在论文的两面下注，以避免损失。它们根据快、慢或介于两者之间的突变率为进化事件提供多种数据。

去年，哈佛医学院的人类遗传学家大卫·赖克和他的同事将45000年前的西伯利亚基因组与现代人类的进行了比较，结果是速度变慢了。就在莱比锡会议之前，赖克和马克斯·普朗克研究所的凯·普吕弗联合组织了这次会议，赖克的研究小组发表了一篇预印论文，通过关注现代人类配对染色体延伸的差异得出了一个中间结论。但是赖克无法解释这个矛盾。"分子钟如此不确定的事实对我们来说是很成问题的."“这意味着基因日期非常糟糕且不确定，”他说。

赖克希望，即使会议不能就突变率达成共识，它也能强调推进研究的必要性。他和普吕弗组织参与者对商定的理论进行投票。他们发现参与者更喜欢较低的值，但是意见的范围仍然很广。

Reich等人的结论是，人类基因的突变率在过去数百万年中一直在波动。会议上的许多讨论围绕着它何时加速和减速以及为什么。新陈代谢和生殖生物学的进化变化可能是原因。英国剑桥大学的人口统计学家艾尔文·索利认为，生活在2000万到1200万年前的类人猿的共同祖先比他们的同类猴子有更长的世代。这可能会减缓突变:一代人越长，每年突变越少。

医学遗传学家也担心突变率。英国韦尔科姆信托基金会桑格研究所所长迈克尔·斯特拉顿参加了这次会议，他是一位致力于研究DNA突变原因的癌症遗传学家。斯特拉顿说，烟草等环境因素会引发一些癌症，但细胞的普通生化过程也会引发癌症。找出这些因素可以解释突变率的波动。

生殖生物学家也对人类基因的突变率感兴趣，部分原因是他们发现一些疾病在年长父亲的孩子中更常见。精子生产贯穿男人的一生，但女人生来就有所有的卵子。精子前体细胞的固定分裂意味着男性会将更多的新突变传递给他们的后代。2012年的一项调查显示，这一概率比女性高4倍，年长的父亲也会传播更多的突变。

尽管人类基因的突变率仍不确定且不稳定，赖克建议研究人员在研究中使用较低的突变率，至少在获得更好的数据之前。他警告说:“这不是光速或物理学。”(张张)

《中国科学日报》(第三版国际版，2015年3月17日)

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