突变率作为遗传变异的最终来源和生物演化的重要驱动力，一直是演化生物学和医学基因组学的重点关注对象。生物产下的后代可能产生与父母不同的新性状，其根本原因在于生殖细胞的DNA突变导致了代际之间的基因组产生了差异。以人为例，和父母相比，每一个子女大约携带44-82新产生的突变，相当于每一代间的每个DNA碱基产生突变的频率是9.3x10-9-1.4x10-8。突变率大小影响这物种长远的演化能力，但是过多的突变会造成个体出现疾病而对生存造成影响，因此物种在每一代产生的突变数量存在一定的界限。而在不同物种中，这种代际间新发突变产生的频率并不相同。其原因一直困扰着生物学家。研究这个问题对理解DNA突变的产生机制和细胞癌变的机制也有重要借鉴意义。
2023年3月1日，浙江大学的张国捷团队在Nature上发表了文章Evolution of the germline mutation rate across vertebrates，通过跨物种的比较分析，该研究揭示了不同物种胚系突变率差异的根本原因和演化规律。
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论文第一作者、来自张国捷课题组的博士后研究员露西·伯杰龙（Lucie Bergeron）博士表示，“我们通过对涵盖哺乳动物、鸟类、爬行类和鱼类等68种脊椎动物323个家系的高深度基因组测序分析，利用我们建立起来的统一分析方法对每个物种新生突变的发生率进行了准确的测量，为理解新发突变发生率的种间差异提供了基础。”
研究人员发现，不同物种每一代生殖细胞产生的突变率相差可达到40倍。平均而言，爬行动物和鸟类每一代的突变率要高于哺乳动物和鱼类。然而，伯杰龙博士评价说，“考虑到这些物种之间生活史特征的巨大差异，40倍并不算非常大的差异，说明脊椎动物有比较相似的机制引发生殖细胞的DNA变异。”
图注：胚系变率在68种脊椎动物中的差异分布。图片来源：张国捷团队 供图
此外，据介绍，在生物学界存在一个被称为“雄性驱动演化假说”的著名理论。该理论认为在哺乳动物和鸟类中，雄性的生殖细胞分裂的次数要比雌性大得多，这就导致了胚系突变率在同一物种不同性别之间出现了偏差。或者说，在你所产生的新变异中，主要是因为来自父亲的基因组发生的突变。“但父母双方分别贡献了多大比例，我们依然知之甚少。”论文通讯作者，浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授表示，“我们的研究在这一问题上获得了更全面的认识，并对这一理论提出了补充。在鸟类后代中新出现的突变，大约75%是来自于父亲生殖细胞的变异，哺乳动物中这一比例大约是67%。而在冷血动物的鱼类和爬行类动物中，雌雄双方对后代新生变异的贡献接近一致。”
图注：相对于鱼类和爬行类，在鸟类和哺乳动物后代的新生突变中，雄性的贡献比例远超雌性。图片来源：张国捷团队供图
该研究还分析了物种间的生活史特征的差异对突变率的影响，发现当物种的性成熟年龄越早，或者每一代的后代数目越多，这个物种生殖细胞的每一代突变率就越低。在人工饲养的动物中，由于适合生育的生殖年龄降低，驯化品种相对于野生物种在生殖细胞中具有更高的年均突变率。此外，研究还证明了遗传漂变对物种胚系突变率也存在影响，即当物种有效种群规模越大，每一代新突变的产生速率就越低，该结果为漂变屏障假说提供了重要证据。
张国捷教授总结说，“胚系突变是物种演化的最源头的动力，突变率大小影响物种的演化潜力，对物种产生新的有利或者不利的性状具有重要影响。我们的研究表明，突变率本身如同其它生物性状一样在不同物种之间存在差异，同时在宏观演化过程中，也会受到其它生物性状的影响”。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05752-y
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