不同物种DNA突变率为何有差异

研究材料之一的鬃狮蜥。

■本报记者 胡珉琦

和父母相比，子女都会携带新产生的DNA突变，而不同物种的隔代突变率是不同的。浙江大学生命演化研究中心教授张国捷团队通过跨物种比较分析，揭示了不同物种DNA突变率差异的根本原因和演化规律。3月2日，这一研究成果发表于《自然》。

爬行动物和鸟类更易发生DNA突变

无论演化生物学还是医学基因组学，一直都把突变率作为重点关注对象，因为它是遗传变异的最终来源和生物演化的重要驱动力。

生物的后代可能具有与父母不同的新性状，根本原因在于生殖细胞的DNA发生突变，从而导致代际间的基因组产生了差异。突变率的大小会影响物种的长远演化能力，但过多突变会导致疾病发生，从而对物种生存造成影响。因此，物种每一代产生的突变数量都有一定限度。但在不同物种中，这种代际间新发突变产生的频率并不相同。

然而，不同物种DNA突变率差异的根源一直困扰着生物学家。找到这个问题的答案，对理解DNA突变产生机制和细胞癌变机制具有重要借鉴意义。

论文第一作者、张国捷课题组博士后露西·伯杰龙介绍，在这项研究中，科研人员对68种脊椎动物323个家系的高深度基因组进行了测序分析，涵盖了哺乳动物、鸟类、爬行类和鱼类等，并对每个物种新发突变的发生率进行了准确测量，从而为了解它们的种间差异提供了支撑。

分析结果显示，不同物种每一代生殖细胞产生的突变率相差可达40倍。平均而言，爬行动物和鸟类每一代的突变率高于哺乳动物和鱼类。

但伯杰龙告诉《中国科学报》：“考虑到这些物种间生活史特征的巨大差异，40倍的差异并不算非常大。总体来说，脊椎动物有比较相似的机制引发生殖细胞的DNA突变。”

繁殖能力影响世代间基因突变率

生物学界存在一个著名理论——“雄性驱动演化假说”。该假说认为，在哺乳动物和鸟类中，雄性生殖细胞的分裂次数比雌性多得多，这就导致胚系突变率在同一物种不同性别之间出现偏差。或者说，在后代所产生的新变异中，主要是由于来自父亲的基因组发生了突变。

“然而，父母双方分别贡献了多大比例，我们依然知之甚少。”论文通讯作者张国捷表示，这项研究使人们在这一问题上获得了更为全面的认识，并对这一理论作了补充。

他们发现，在鸟类后代中新出现的突变，大约75%来自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。

该研究还分析了物种间生活史特征的差异对突变率的影响。研究人员发现，物种性成熟越早，或者每一代的后代数目越多，这一物种生殖细胞的每一代突变率越低；人工饲养的动物生殖年龄降低，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存在影响。物种有效种群规模越大，每一代新突变的产生速率就越低。

“生殖细胞的DNA发生突变是物种演化的原动力，突变率大小影响着物种演化潜力，对物种产生新的有利或者不利的性状具有重要影响。”张国捷解释，“我们的研究表明，突变率本身与其他生物性状一样在不同物种间存在差异，同时在宏观演化过程中也会受到其他生物性状的影响。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05752-y