最新研究揭示人類基因組發生的進化

在大型基因組資料庫的幫助下，研究人員能探測正在進化中的特徵，比如英國人的金髮。

圖片來源：George Clerk/iStockphot

很多人認為，進化需要幾千年或者上百萬年，但生物學家知道，它能很快發生。如今，由於基因革命，研究人員實際上可以追蹤標誌著進化正在進行的種群水平上的基因漂移，並且他們正在人類當中這麼做著。近日，在基因組生物學會議上得以展示的兩項研究證實了人類基因組如何在幾個世紀或幾十年間發生變化，並且描繪了自羅馬時代以來英國人如何進化得更加高大和白皙，以及在上一代人中一種喜愛吸煙的基因的影響如何在一些人群中變小。

「能研究正在進行中的選擇是一件令人激動的事情。」美國哥倫比亞大學進化生物學家Molly Przeworski表示，這些研究表明了人類基因組如何以細微但有意義的方式對新的條件迅速作出反應。「從理解進化的角度來說，它是遊戲規則的改變者。」

進化生物學家長期關注新突變在產生新特徵方面發揮的作用。不過，一旦新突變出現，它肯定會在某個種群中擴散。每個人都攜帶著一個基因的兩個拷貝，但這些拷貝會在個體內部和個體中間出現輕微的變化。一個拷貝中的突變可能令身高增加，而另一個拷貝或等位基因中的突變或許會讓身高減少。如果正在改變中的條件有利於長高，那麼高個子的人將擁有更多後代，而編碼身材高大的變異體的更多拷貝也將在人群中傳播。

在巨大的基因組數據集的幫助下，如今科學家能追蹤等位基因頻率在很短時間尺度內的進化改變。來自斯坦福大學的Jonathan Pritchard及其博士後Yair Field通過計算在每個基因組中都能見到的獨特單鹼基變化做到了這一點。這類罕見的單個變化，或者說是單個拷貝基因可能很新，因為它們沒有時間在人群中擴散。由於等位基因會在傳播時攜帶上臨近的DNA，因此附近DNA上的單個拷貝基因數可被當成粗糙的分子鐘使用，從而指示該等位基因在頻率上變化得有多快。

作為英國「萬人基因組計劃」的一部分，Pritchard團隊分析了收集到的3000個基因組。對於每個基因組中感興趣的每個等位基因，Field計算了基於附近單個獨特突變密度的「單個拷貝基因密度得分」。這種方法能揭示過去100代人，或者說約200年間的選擇。

斯坦福大學研究生Natalie Telis、Evan Boyle和博士後Ziyue Gao在賦予乳糖耐量（一個使成年人消化牛奶的特徵）並且編碼特定免疫系統受體的等位基因附近，發現了相對較少的單個拷貝基因。在英國人群中，這些等位基因明顯被高度選擇，並且迅速擴散。該團隊還在決定金色頭髮和藍色眼睛的等位基因附近發現了較少的單個拷貝基因，表明這些特徵在過去2000年間也在迅速擴散。Field在上述會議的講話中以及預印本伺服器bioRxiv.org上報告了這些發現。一個進化驅動因素可能是英國灰暗的天空：決定金色頭髮的基因還帶來更淺的膚色，而這使得身體在陽光稀缺的條件下產生更多維生素D。也或者受到對金髮碧眼伴侶的偏好的驅動，性別選擇一直在發揮作用。

其他研究人員對這項新技術表示讚賞。「這種方式看上去能探測到更加細微和普遍的選擇信號。」德國馬普學會進化人類學研究所進化遺傳學家Svante P?覿?覿bo表示。

作為表明該方法威力的另一個跡象，Pritchard團隊還探測到由上百個基因中的微小變化而非單個基因控制的特徵選擇。這些特徵包括嬰兒的身高、頭圍以及對嬰兒分娩至關重要的女性臀圍。通過研究單個拷貝基因的密度，Pritchard團隊發現，對這3個特徵的選擇發生在最近幾千年的基因組中。

紐約基因組中心進化遺傳學家Joseph Pickrell利用一種不同策略，將選擇置於更加敏銳的顯微鏡下，從而在一代人的尺度上探測到進化跡象。他和Przeworski仔細研究了擁有歐洲血統的6萬人，以及來自一項名為「英國生物樣本庫」的大規模測序行動的15萬人的基因組。他們想知道，基因變異體是否會在不同年齡的個人當中更改頻率，從而揭示在一代或兩代人中正在發揮作用的選擇。該生物樣本庫包括相對較少的老年人，但擁有關於參與者父母的信息，因此團隊成員還研究了父母死亡和子女等位基因頻率之間的關聯。

不過，短時間尺度內的選擇跡象將永遠受到統計波動的「折磨」。然而，P?覿?覿bo認為，這兩個項目「表明了大規模研究在理解哪些因素決定了當今社會中人類生存和繁衍方面的威力」。（宗華）

來源：中國科學報

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