导读：基因突变是生物界的一个普遍现象。自20世纪上半叶以来，我们一直以为基因突变在基因组中就是随机发生的，就像抽奖一样，我们不知道什么时候、哪个基因会发生怎样的突变。然而，一项新研究挑战了这一既定理论——基因突变是非随机的。
加州大学戴维斯分校（University of California Davis，UCD）和德国马克斯-普朗克进化生物学研究所（Max Planck Institute for Developmental Biology）的一项新研究表明，一种简单的路边杂草可能是深入了解和预测DNA突变的关键。
这项研究结果于昨日（1月12日）发表在《Nature》上，题为“Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana”。这项研究从根本上改变了我们对进化的理解，有朝一日有望帮助医学家研究出成功治疗癌症的新方法
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04269-6
当DNA受损且未能正确修复时，就会发生突变，从而产生新的变异。“我们一直认为基因突变基本上就是随机的，”加州大学戴维斯分校植物科学系助理教授、该研究论文的第一作者Grey Monroe说，“然而事实证明，突变并非随机的，这种非随机对于基因突变来说是一个全新的认知。”
为了探究突变是纯粹随机的，还是有着更深层的机制，研究人员用了三年时间对数百株拟南芥（Arabidopsis thaliana），又名鼠耳芥（thale cress），进行了DNA测序。拟南芥，植株小，可开花，被认为是“植物中的实验鼠”，因为它的基因组相对较少，大约有1.2亿个碱基对。相比之下，人类大约有30亿个碱基对。“拟南芥是研究基因学的模式生物。”Monroe说。
这项研究开始于马克斯-普朗克研究所，研究人员在一个受保护的实验室环境中培育拟南芥标本，这使得在自然界中可能无法生存的具有缺陷的拟南芥能够在一个受控的环境中存活。在这数百株拟南芥的测序中，研究人员发现了超过100万个突变。在这些突变中，他们发现了一种与预期相反的非随机模式。
“我们的发现似乎与现有的理论相矛盾，即初始突变是完全随机的，是自然选择决定了能够在生物体中观察到的那些突变。”马克斯-普朗克研究所科学主任、该研究的资深作者Detlef Weigel说。
研究人员发现了非随机且具有低突变率的基因组斑块。在这些斑块中，他们发现了必需基因的高度表达，例如那些参与细胞生长和基因表达的基因。在基因内的突变频率减少了约一半，而在那些必需基因中，突变频率更是减少了三分之二。
“这些区域是基因组中真正重要的区域，”Monroe说，“在生物学上最重要的区域就是那些被保护不受突变影响的区域。”这些区域对新突变的有害影响非常敏感，“因此，DNA损伤修复似乎在这些区域中特别有效。”Weigel补充道。
基本基因突变概率低
这些发现为Charles Darwin的自然选择进化论增添了一个令人惊讶的转折，揭示了基因突变并非随机的，而是有一定规律可循的。
“这种植物已经进化出一种方法来保护其基因组中最重要的区域不受突变的影响，”Weigel说，“我们可以利用这些发现来研究如何保护人类的基因不受突变的影响。”
了解为什么基因组中的某些区域比其他区域更容易发生突变，可以更准确地预测或开发出新的治疗方法，以治疗由突变引起的癌症等疾病。此外，科学家还可以利用这些信息，帮助农业科学家依靠遗传变异培育出更好的作物。
最后，该研究小组总结道，“我们的发现完整了对自然变异模式的了解，对长期以来关于突变随机性的理论发起挑战，并为科学家们了解生物学和进化突变的理论和实践研究提供了方向。”
参考资料：
https://www.ucdavis.edu/food/news/study-challenges-evolutionary-theory-dna-mutations-are-random
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