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Cell封面文章 | 近中性基因突变逃脱自然选择是限制寿命的主因—附作者视频讲解

撰文 | 崔融丰
责编 | 兮

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视频:由本文第一作者/通讯作者崔融丰博士和通讯作者Dario Riccardo Valenzano博士讲解


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视频:由本文第一作者/通讯作者崔融丰博士讲解文中Figures


生物界中各个物种的寿命长度存在很大的不同,所谓“夏虫不可语冬”,短寿者如蜉蝣、果蝇、线虫之类,仅有数周的寿命,而龟、象、鲸等生物则可活几十年甚至上百年。那么在进化上,如何解释不同寿命长度的产生呢?按照达尔文的进化论“适者生存”的观点,如何解释一个可以杀死生物体的基因得以存留下来呢?

理论生物学家提出了两种可能的模型。模型一称为拮抗多效性(antagonistic pleiotropy)假说【1】。该模型认为能提高发育速度、生殖功能的基因突变会受到自然选择的青睐,即使它们会导致生物个体衰老死亡也在所不惜,因为只要后代数量够多,这个基因突变就会有优势,可以保留下来。模型二称为突变累积假说(mutation accumulation)。该模型【2】不依赖于自然选择,恰恰相反,它认为如果一个突变只影响年老个体的健康,就有可能逃过自然选择的“法眼”,因为这些突变对后代数量影响不大,可以通过遗传漂变(genetic drift)而在种群中固定。本质上,这是进化生物学上两派思想对同一现象作出的两种解读。头一派思想叫做“自然选择派”(selectionist),认为物种之间的差异多为自然选择的结果;后一派称为“中性派”(neutralist),认为物种间的差异大多是中性或近中性的,对物种的适合度(fitness)影响很小。

中性进化理论(Neutral theory of molecular evolution)由日本遗传学家木村资生在1968年提出【3】,由其弟子太田朋子完善为近中性理论 (nearly neutral theory of molecular evolution),从数学上阐述了轻微有害的基因突变可以和中性突变一样在种群中扩散【4】。值得注意的是,虽然一个基因可能对老年动物害处很大,但在进化上可能属于中性或近中性,因为适合度(fitness)取决于后代数量多少,而非繁殖期后的个体健康与否。中性理论至今已有50年,但近年来自然选择派重新抬头,再次挑起了中性-选择争论【5】

非洲鳉鱼(假鳃鳉科 Nothobranchiidae)分布于撒哈拉沙漠以南的非洲全境,多数物种生活在湿润地区,可终年生长繁殖,寿命大约为5年。然而也有两属分别独立进化出了适应干旱环境的习性。亲鱼在旱季来临前产卵于水塘底泥中,其胚胎可在干燥淤泥中休眠,直至下一个雨季来临时再快速孵化、发育、繁殖,以完成生活史。其中丽虾鳉属(Callopanchax)分布于西非,假鳃鳉属(商品名:魔法鱼 Nothobranchius)分布于东非。这些生活在干燥地区的鳉鱼统称为“一年生鳉”(annual killifish),而其它鳉鱼通称“多年生鳉”。一年生鳉鱼寿命普遍较短,最极端的是GRZ品系的青假鳃鳉 (Nothobranchius furzeri) ,人工养殖情况下孵化后寿命中位数只有12~16周。

2019年6月27日,德国科隆马普衰老研究所(Max Planck Institute for Biology of Ageing)Dario Riccardo Valenzano 博士团队的博后研究员崔融丰博士以及合作者一起以长文形式在Cell杂志上题为Relaxed Selection Limits Lifespan by Increasing Mutation Load的研究,该研究选取了45种非洲鳉鱼进行了全基因组测序,用于对比一年生鳉在进化过程中基因组发生了何种改变



通过构建系统发育树并进行回归统计分析,发现鳉鱼基因组大小与当地多种气候指标存在相关性(图1)。例如:年气温和降水波动高地区的鳉鱼基因组较大,换而言之,就是一年生鳉鱼基因组普遍增大。但是基因组的扩张并不伴随有基因数量的增加,而是基因组中的“垃圾序列”,例如转座子,发生扩增。作为对比,直背假鳃鳉(Nothobranchius orthonotus)的基因组大小约为1.5Gb, 而与其近缘的多年生南方旗鳉 (Aphyosemion australe) 基因组仅有约1.1Gb。进一步通过RELAX算法推测每种鱼类的蛋白编码基因所受选择压力,发现较大的基因组也对应了更弱的选择压力,证实了基因组增大是由于自然选择变弱导致的

图1. 以45种非洲鳉鱼以及外群构建的分子系统树,显示了非洲鳉鱼的基因组大小与当地气候相关性



接下来,再以属为单位,用RELAX算法推测了约14000个蛋白编码基因在该属中所受的选择压力的变化(图2)。统计发现,两类一年生鳉鱼的基因组都比多年生鳉鱼多出很多基因受到放松选择(Relaxed selection),也就是进化更接近中性。例如在假鳃鳉属中,据推算全基因组中有大约1/3的基因都受到放松选择的影响而积累了有害突变,在丽虾鳉中也有1/4的基因受影响。通过分析这些基因中被替换的氨基酸在其它生物中的保守性(Consurf 值),可以得知这些突变的确有害。

图2. 一年生鳉比多年生鳉有更多的基因由于放松选择累积了更多的有害突变。这些突变倾向于影响表达较晚的基因



在一年生鳉中,也发现了受到正选择的基因,但其数量远少于放松选择的基因。通过对这些受正选择的基因进行通路分析,发现和生殖、发育相关的基因倾向于受到正选择。这与一年生鳉快速成长、繁殖的习性吻合。

为了回答放松选择是否在微观进化时间尺度上也能被观察到,作者和捷克科学院的Martin Reichard 教授团队合作,对采集于干燥区和湿润区的同一假鳃鳉物种的不同种群进行了群体全基因组测序(图3)

图3. 对分布于干燥和湿润区的2种假鳃鳉种群进行重测序,揭示了干燥区种群受到更强烈的瓶颈作用,累积了更多的有害突变,以及拥有更大的基因组



通过对比2个物种、4个种群和231个个体的基因组,发现干燥地区的鳉鱼有效种群较小,分布于干燥区的鳉鱼基因组较大,而且受到的选择压力也较低。这些干燥区鱼类的有害突变可在种群中达到80%的频度(图4)。如果测量每个个体所携带的总有害突变量,干燥地区的个体平均都比湿润区的亲戚高。

图4. 以突变的保守性(Consurf Score)测量有害突变荷载在干燥和湿润区的频率分布


有害突变更倾向于在老年鱼中表达的基因中累积,而早期发育时高表达的基因则更不容易积累,这与理论相符(图1)。此外,重组率较低的基因组区域也较容易积累有害突变。

为了进一步验证这些结果是否具有普适性,作者还分析了现有的千人基因组数据集(图5)。黑猩猩即使在人工饲养环境下,寿命也只有人类的一半。与此现象相吻合,分析发现黑猩猩的基因组中携带了比人类更多的有害突变,而且许多突变已经在黑猩猩基因组中固定了。不同人类种群有不同的有害突变(遗传载荷 Genetic load)频率和总量。非洲人群有害突变多为低频率突变,但多样性高,即个体间差异较大。非洲以外的人群有害突变频率高,但多样性低,也就是不同个体之间更有可能携带同一个致病突变。如果计算每人平均载荷,则各种群之间较为接近,但欧洲人平均每人的遗传载荷还是稍高于其它人群。重要的是,无论在哪个人群,与衰老和线粒体功能有关的基因都更有可能获得有害突变,这和鳉鱼是一致的。

图5. 黑猩猩比人携带的有害突变多。在不同人群中,欧洲人比其他人群携带的有害突变总量稍多(美洲人样品实际上为欧、非、美洲土著混种)。在大脑发育中表达的基因较不容易累积有害突变。与衰老和线粒体相关的基因在多数人类种群中都更容易受放松选择影响



在一年生鳉中,负责线粒体复制的聚合酶γ也由于放松选择累积了有害突变(图6)。为了进一步验证这些突变的有害性,研究人员与Martin Graef团队合作,将酵母的聚合酶γ上的同源氨基酸位点改变为对应的鳉鱼聚合酶上的氨基酸,并检测了这些突变是否影响该酶的保真性。结果发现,9个一年生鳉的突变中有6个都会降低线粒体DNA的复制保真性,其余三个则不显著改变保真性,证实了放松选择会使近中性的有害突变逃脱自然选择。在实际数据中,一年生鳉的线粒体DNA突变率也较高,不符合分子钟假设,而且其线粒体基因由于突变率增高,导致进一步受到放松选择,基因组也增大,这与核基因组规律相同。

图6. 一年生鳉的线粒体复制相关基因多受到放松选择影响,积累了有害突变。利用酵母测试了其中9个突变,证实其中6个会降低线粒体DNA复制的保真性。相对应地,一年生鳉鱼的线粒体DNA突变率也较高,使线粒体分子树显著偏离分子钟假设。线粒体的蛋白编码基因也受到放松选择影响,线粒体基因组增大


简而言之,该研究以实际观测数据,支持了寿命进化的突变累积假说,支持了近中性理论可解释生物衰老相关疾病的进化。生物之所以有寿命限制,是由于自然选择在年老生物中“不作为”导致的。如果希望从基因层面延缓衰老,或许可以先从那些受到了放松选择的基因入手。

原文链接:
doi.org/10.1016/j.cell.

制版人:珂

参考文献
1. Williams, G.C. (1957).Pleiotropy, natural selection, and the evolution of senescence. Evolution 11, 398-411.
2. Medawar, P.B. (1952). An unsolved problem of biology (University College London).
3. Kimura, M. (1968). Evolutionary rate at the molecular level. Nature 217, 3.
4. Ohta, T. (1973). Slightly deleterious mutant substitutions in evolution. Nature 246, 96-98.
5. Kern, A.D., and Hahn, M.W. (2018). The neutral theory in light of natural selection. Mol. Biol. Evol. 65, 54304.

发布于 2019-06-28

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