基因突變新模式？這項研究正在挑戰達爾文

撰文 | 喬丹娜·卡佩勒維克茲（Jordana Cepelewicz）

翻譯 | 張若瑜

編輯 | 王妍琳

1944年，哥倫比亞大學的遺傳學博士生伊夫琳·威特金做實驗時出現了一個偶然的失誤。她在紐約冷泉港實驗室做的第一個實驗中，不小心用致死量的紫外線照射了數百萬個大腸桿菌（E. coli）。當她第二天回去檢查樣品的時候，那些大腸桿菌都死了——除了其中一個樣品中的四個細胞，它們存活了下來，並且能夠繼續生長。這些細胞奇蹟般地耐受了紫外線的照射。威特金猜測，這個培養基里的細胞恰好出現了能讓它們生存下來的突變，似乎是個非常幸運的巧合——巧合到她開始懷疑這究竟是不是個巧合。

在接下來的二十年間，威特金一直致力於研究這些突變為什麼會出現以及是怎麼出現的。她發現了一種被稱為SOS反應的機制，這是一種細菌基因組被破壞時採用的DNA修復機制，在這個過程中幾十個基因變得活躍、突變率上升。一般來說，這些額外的突變多數對生物體是有害的，但它們使適應環境成為了可能，比如發展出的紫外線和抗生素抗性基因。

從那時起，困擾進化生物學家的問題就是，這種現象是自然的安排嗎？這種突變增加僅僅是基因自我修復過程中的一個附帶的結果；還是，像一些研究者聲稱的那樣，突變率增加本身就是一種進化出的適應性，有助於細菌在壓力環境中更快地進化出有利的特徵？

這個問題極具挑戰性，科學家不僅需要有力地證明惡劣環境能引起非隨機突變，還需要一種分子生物學上合理的解釋，一種讓這種「幸運突變」變得更頻繁的機制。幾十年來，科學家們在細菌和更複雜的生物體中做了很多研究，不斷尋找著問題的答案。

最新的答案來自一項對酵母的研究，這項研究六月份發表在PLOS Biology上，這可能也是目前的最佳答案。劍橋大學巴布拉漢姆研究所（Babraham Institute）分子生物學和遺傳學家喬納森·豪斯利（Jonathan Houseley）領導的研究小組提出了一種突變機制，這種機制能在酵母基因組裡與適應性有關的區域引發更多的突變。

「這是一種全新的機制，它表明環境可以對基因組產生影響，從而能夠根據需要產生適應性突變。目前為止，這是我們看到的指向性最明確的突變機制之一。」貝勒醫學院分子和人類基因學教授菲利普·海斯廷（Philip Hastings）說，他並沒有參與豪斯利的實驗。其他的一些科學家也對這項工作表示讚賞，不過他們當中大部分還是認為這項研究推測的成分比較大、還需要更多數據支持。

增加基因多樣性

「我並沒有考慮『突變是不是一直是隨機的？』這類寬泛的問題，而是選擇了一個更可行的方法。」豪斯利說。他和他的同事們把注意力放在了一種叫做拷貝數變異（copy number variation）的特殊突變上。DNA經常會包含多個核苷酸序列甚至整個基因的拷貝。例如，人類正常染色體拷貝數是2，有些染色體區域拷貝數變成1或3，該區域就發生了拷貝數變異，位於該區域內的基因表達量也會受到影響。其原因是細胞在細胞分裂之前會進行DNA複製，這時可能會發生一些錯誤，導致一些基因片段過多地擴增或缺失。在人類個體中，5％至10％的基因組都會出現拷貝數變異——其中一些已知變異與癌症、糖尿病、自閉症和很多遺傳疾病相關。豪斯利懷疑，至少在某些情況下，基因拷貝數的這種變化可能是對環境中壓力或危險的反應。

2015年，豪斯利和他的同事描述了一種機制：酵母細胞內似乎發生了一種與核糖體（合成蛋白質的細胞部分）有關的拷貝數變異，這使得基因產生了額外的拷貝數。然而，他們並沒有證明這種變化是針對細胞環境變化或限制產生的適應性反應。儘管如此，對他們來說，在營養豐富、合成蛋白質的需求可能更高的時候，酵母似乎完成了更多的核糖體基因拷貝。

因此，豪斯利決定檢測類似的機制會不會作用在直接被惡劣環境激活的基因中。 在2017年的論文中，他們關注了CUP1，一種幫助酵母抵抗環境中銅的毒性作用的基因。他們發現酵母暴露在有銅的環境中時，CUP1的拷貝數多樣性增加了。大多數細胞的CUP1基因拷貝數較少了，但大約有10%的酵母獲得了更多的拷貝數，而這些細胞對銅的耐受性更好且長勢更佳。「少數細胞做了正確的事情，」豪斯利說，「正是因為他們有這樣的優勢，才能夠勝過其他所有細胞。」

但是這種變化本身並沒有太大的意義：如果環境中的銅會引起突變，那麼CUP1拷貝數多樣性的改變可能只是更高突變率帶來的一個沒有特殊意義的結果。為了排除這種可能性，研究人員巧妙地改造了CUP1基因，讓它不對銅，而是對無害的、不會導致突變的糖——半乳糖做出反應。當這些特殊的酵母細胞暴露在半乳糖環境下的時候，基因拷貝數多樣性也發生了變化。

這些細胞似乎是在指示基因組中可能有用的位置產生更多的變異一樣。在之後的工作中，研究人員發現了這一現象背後的生物學機制。我們已知在細胞複製DNA時，複製機制有時候會停滯。通常，複製可以在停止的地方重新啟動。如果不能重新啟動，細胞可以回到複製過程開始的狀態，但是這樣做時會導致一些基因序列的意外缺失或增加。這就是通常導致拷貝數變異的原因。但是，豪斯利和他的團隊認為，有些因素的綜合作用能使這些拷貝錯誤出現的可能性更高，它們往往發生在能夠積極響應環境壓力的基因中，這意味著這些基因更有可能發生拷貝數變異。

重要的是，這些效應發生在能響應環境變化的基因中，從而能夠給自然選擇更多的機會來找到最佳基因表達水平，以應對惡劣的環境。豪斯利小組的結果似乎提供了實驗證據——惡劣的環境可以刺激細胞控制那些最能提高它們適應能力的基因變化。他們似乎也讓人聯想起法國自然學家讓-巴蒂斯特·拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck）在達爾文理論之前的觀點，他認為生物通過將他們從環境獲得的特徵傳遞給他們的後代來進化。然而，豪斯利認為，這種相似性只是表面上的。

「我們所定義的是一種完全脫胎於達爾文隨機突變的機制，這種機制可以刺激有益位點發生不完全隨機的突變，」豪斯利說。 「這不是拉馬克的適應進化理論，這只是和拉馬克的適應理論得到了同樣的結果，但是不存在後者的一些問題。」

適應性突變

1943年，微生物學家薩爾瓦多·盧里亞（Salvador Luria）和生物物理學家馬克斯·德布魯克（Max Delbrück）在實驗中表明，大腸桿菌突變是隨機發生的，並憑藉這項研究獲得諾貝爾獎。從那時起，像細菌SOS機制這樣的發現開始使一些生物學家懷疑，隨機理論是否存在重大漏洞。例如，1988年在《自然》雜誌上發表的一篇有爭議的文章中，哈佛大學的約翰·凱恩斯（John Cairns）和他的研究小組發現，當他們將不能消化乳糖的細菌放置在以乳糖為唯一食物來源的環境中時，這些細胞很快進化出了將乳糖轉化為能量的能力。凱恩斯認為，這一結果表明，細胞具有能優先進行某些有益突變的機制。

圖片來自喬納森·豪斯利

釀酒酵母（S. cerevisiae）在瓊脂培養基上的菌落。 如果這些研究結論無誤，這些細胞中的DNA損傷修復機制也可以促進更多的適應性突變，可以幫助細胞在惡劣的環境下更迅速地進化。

雖然這一想法最終被證明缺乏實驗支持，但一些生物學家逐漸成為這種更廣泛的適應性突變理論的支持者。他們認為即使細胞不能指導在特定環境中所需要的精確突變，也可以通過提高它們的突變率來促使基因發生變化。豪斯利小組的工作似乎印證了這一觀點。在酵母的遺傳機制中「沒有一種叫做『我找到解決問題的基因了，我們把它突變了吧』的機制，」印第安納大學的生物學家帕翠西婭·福斯特（Patricia Foster）說，「但是這些研究表明進化可以加快。」貝勒醫學院的的海斯廷同意這個觀點，同時讚揚了豪斯利的機制解釋了為什麼額外的突變不會發生在整個基因組中。「它需要轉錄一個基因才能發生。」他說。

然而，適應性突變理論在大多數生物學家中很少被接受，其中很多人對凱恩斯的原始實驗和豪斯利新的實驗都持懷疑態度。他們認為，即使在環境壓力下更高的突變率能產生適應，仍然難以令人信服地證明，較高的突變率本身就是對壓力的適應。加利福尼亞大學戴維斯分校的遺傳和微生物學家約翰·羅斯（John Roth）說：「這種解釋是很有吸引力的，但我不認為是對的。 我不認為任何這些應激誘變的例子是正確的。這個現象可能還有一些其他不那麼直觀的解釋。」

賓夕法尼亞大學的生物學家保羅·西尼戈夫斯基（Paul Sniegowski）說：「我認為[豪斯利的工作]很出色，與適應性突變的爭論很有相關性。但是，它仍然只是一個假設。為了能更好地驗證這個想法，他們必須用進化生物學家的方式來進行檢驗——創建一個理論模型，檢測這種適應性變異能否在一段時間裡演變，然後讓實驗室中的生物群體里按這種機制進化。」

雖然有不少懷疑者， 豪斯利和他的團隊仍然在堅持研究這種機制與癌症和其他生物醫學問題的相關性。豪斯利說：「化療耐藥性癌症的出現很常見，並且是治癒疾病的主要障礙。」他認為化療藥物和其他對腫瘤細胞的壓力可能會促使惡性細胞進一步突變，包括產生抗藥性的突變。如果這種抗藥性確實是通過他在酵母研究中所發現的機制促成的，那麼它可以很好地為我們提供一種新的藥物靶點。癌症患者不僅可以接受正常的化學療法，也可以通過抑制可能導致抗性突變的生化修飾來進行治療。「我們正在積極努力，」豪斯利說，「但這項研究還處於初期階段。」
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