Cell封面文章 | 附作者視頻講解
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視頻：由本文第一作者/通訊作者崔融豐博士和通訊作者Dario Riccardo Valenzano博士講解
視頻：由本文第一作者/通訊作者崔融豐博士講解文中Figures
生物界中各個(gè)物種的壽命長(zhǎng)度存在很大的不同，所謂“夏蟲不可語(yǔ)冬”，短壽者如蜉蝣、果蠅、線蟲之類，僅有數(shù)周的壽命，而龜、象、鯨等生物則可活幾十年甚至上百年。那么在進(jìn)化上，如何解釋不同壽命長(zhǎng)度的產(chǎn)生呢？按照達(dá)爾文的進(jìn)化論“適者生存”的觀點(diǎn)，如何解釋一個(gè)可以殺死生物體的基因得以存留下來呢？
理論生物學(xué)家提出了兩種可能的模型。模型一稱為拮抗多效性（antagonistic pleiotropy）假說【1】。該模型認(rèn)為能提高發(fā)育速度、生殖功能的基因突變會(huì)受到自然選擇的青睞，即使它們會(huì)導(dǎo)致生物個(gè)體衰老死亡也在所不惜，因?yàn)橹灰蟠鷶?shù)量夠多，這個(gè)基因突變就會(huì)有優(yōu)勢(shì)，可以保留下來。模型二稱為突變累積假說（mutation accumulation）。該模型【2】不依賴于自然選擇，恰恰相反，它認(rèn)為如果一個(gè)突變只影響年老個(gè)體的健康，就有可能逃過自然選擇的“法眼”，因?yàn)檫@些突變對(duì)后代數(shù)量影響不大，可以通過遺傳漂變（genetic drift）而在種群中固定。本質(zhì)上，這是進(jìn)化生物學(xué)上兩派思想對(duì)同一現(xiàn)象作出的兩種解讀。頭一派思想叫做“自然選擇派”（selectionist），認(rèn)為物種之間的差異多為自然選擇的結(jié)果；后一派稱為“中性派”（neutralist），認(rèn)為物種間的差異大多是中性或近中性的，對(duì)物種的適合度（fitness）影響很小。
中性進(jìn)化理論（Neutral theory of molecular evolution）由日本遺傳學(xué)家木村資生在1968年提出【3】，由其弟子太田朋子完善為近中性理論 (nearly neutral theory of molecular evolution)，從數(shù)學(xué)上闡述了輕微有害的基因突變可以和中性突變一樣在種群中擴(kuò)散【4】。值得注意的是，雖然一個(gè)基因可能對(duì)老年動(dòng)物害處很大，但在進(jìn)化上可能屬于中性或近中性，因?yàn)檫m合度（fitness）取決于后代數(shù)量多少，而非繁殖期后的個(gè)體健康與否。中性理論至今已有50年，但近年來自然選擇派重新抬頭，再次挑起了中性-選擇爭(zhēng)論【5】。
非洲鳉魚（假鰓鳉科 Nothobranchiidae）分布于撒哈拉沙漠以南的非洲全境，多數(shù)物種生活在濕潤(rùn)地區(qū)，可終年生長(zhǎng)繁殖，壽命大約為5年。然而也有兩屬分別獨(dú)立進(jìn)化出了適應(yīng)干旱環(huán)境的習(xí)性。親魚在旱季來臨前產(chǎn)卵于水塘底泥中，其胚胎可在干燥淤泥中休眠，直至下一個(gè)雨季來臨時(shí)再快速孵化、發(fā)育、繁殖，以完成生活史。其中麗蝦鳉屬（Callopanchax）分布于西非，假鰓鳉屬（商品名：魔法魚 Nothobranchius）分布于東非。這些生活在干燥地區(qū)的鳉魚統(tǒng)稱為“一年生鳉”（annual killifish），而其它鳉魚通稱“多年生鳉”。一年生鳉魚壽命普遍較短，最極端的是GRZ品系的青假鰓鳉 (Nothobranchius furzeri) ，人工養(yǎng)殖情況下孵化后壽命中位數(shù)只有12～16周。
2019年6月27日，德國(guó)科隆馬普衰老研究所（Max Planck Institute for Biology of Ageing）Dario Riccardo Valenzano 博士團(tuán)隊(duì)的博后研究員崔融豐博士以及合作者一起以長(zhǎng)文形式在Cell雜志上題為Relaxed Selection Limits Lifespan by Increasing Mutation Load的研究，該研究選取了45種非洲鳉魚進(jìn)行了全基因組測(cè)序，用于對(duì)比一年生鳉在進(jìn)化過程中基因組發(fā)生了何種改變。
通過構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹并進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)鳉魚基因組大小與當(dāng)?shù)囟喾N氣候指標(biāo)存在相關(guān)性（圖1）。例如：年氣溫和降水波動(dòng)高地區(qū)的鳉魚基因組較大，換而言之，就是一年生鳉魚基因組普遍增大。但是基因組的擴(kuò)張并不伴隨有基因數(shù)量的增加，而是基因組中的“垃圾序列”，例如轉(zhuǎn)座子，發(fā)生擴(kuò)增。作為對(duì)比，直背假鰓鳉（Nothobranchius orthonotus）的基因組大小約為1.5Gb, 而與其近緣的多年生南方旗鳉 （Aphyosemion australe） 基因組僅有約1.1Gb。進(jìn)一步通過RELAX算法推測(cè)每種魚類的蛋白編碼基因所受選擇壓力，發(fā)現(xiàn)較大的基因組也對(duì)應(yīng)了更弱的選擇壓力，證實(shí)了基因組增大是由于自然選擇變?nèi)鯇?dǎo)致的。
圖1. 以45種非洲鳉魚以及外群構(gòu)建的分子系統(tǒng)樹，顯示了非洲鳉魚的基因組大小與當(dāng)?shù)貧夂蛳嚓P(guān)性
接下來，再以屬為單位，用RELAX算法推測(cè)了約14000個(gè)蛋白編碼基因在該屬中所受的選擇壓力的變化（圖2）。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，兩類一年生鳉魚的基因組都比多年生鳉魚多出很多基因受到放松選擇（Relaxed selection），也就是進(jìn)化更接近中性。例如在假鰓鳉屬中，據(jù)推算全基因組中有大約1/3的基因都受到放松選擇的影響而積累了有害突變，在麗蝦鳉中也有1/4的基因受影響。通過分析這些基因中被替換的氨基酸在其它生物中的保守性（Consurf 值），可以得知這些突變的確有害。
圖2. 一年生鳉比多年生鳉有更多的基因由于放松選擇累積了更多的有害突變。這些突變傾向于影響表達(dá)較晚的基因
在一年生鳉中，也發(fā)現(xiàn)了受到正選擇的基因，但其數(shù)量遠(yuǎn)少于放松選擇的基因。通過對(duì)這些受正選擇的基因進(jìn)行通路分析，發(fā)現(xiàn)和生殖、發(fā)育相關(guān)的基因傾向于受到正選擇。這與一年生鳉快速成長(zhǎng)、繁殖的習(xí)性吻合。
為了回答放松選擇是否在微觀進(jìn)化時(shí)間尺度上也能被觀察到，作者和捷克科學(xué)院的Martin Reichard 教授團(tuán)隊(duì)合作，對(duì)采集于干燥區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)的同一假鰓鳉物種的不同種群進(jìn)行了群體全基因組測(cè)序（圖3）。
圖3. 對(duì)分布于干燥和濕潤(rùn)區(qū)的2種假鰓鳉種群進(jìn)行重測(cè)序，揭示了干燥區(qū)種群受到更強(qiáng)烈的瓶頸作用，累積了更多的有害突變，以及擁有更大的基因組
通過對(duì)比2個(gè)物種、4個(gè)種群和231個(gè)個(gè)體的基因組，發(fā)現(xiàn)干燥地區(qū)的鳉魚有效種群較小，分布于干燥區(qū)的鳉魚基因組較大，而且受到的選擇壓力也較低。這些干燥區(qū)魚類的有害突變可在種群中達(dá)到80%的頻度（圖4）。如果測(cè)量每個(gè)個(gè)體所攜帶的總有害突變量，干燥地區(qū)的個(gè)體平均都比濕潤(rùn)區(qū)的親戚高。
圖4. 以突變的保守性（Consurf Score）測(cè)量有害突變荷載在干燥和濕潤(rùn)區(qū)的頻率分布
有害突變更傾向于在老年魚中表達(dá)的基因中累積，而早期發(fā)育時(shí)高表達(dá)的基因則更不容易積累，這與理論相符（圖1）。此外，重組率較低的基因組區(qū)域也較容易積累有害突變。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些結(jié)果是否具有普適性，作者還分析了現(xiàn)有的千人基因組數(shù)據(jù)集（圖5）。黑猩猩即使在人工飼養(yǎng)環(huán)境下，壽命也只有人類的一半。與此現(xiàn)象相吻合，分析發(fā)現(xiàn)黑猩猩的基因組中攜帶了比人類更多的有害突變，而且許多突變已經(jīng)在黑猩猩基因組中固定了。不同人類種群有不同的有害突變（遺傳載荷 Genetic load）頻率和總量。非洲人群有害突變多為低頻率突變，但多樣性高，即個(gè)體間差異較大。非洲以外的人群有害突變頻率高，但多樣性低，也就是不同個(gè)體之間更有可能攜帶同一個(gè)致病突變。如果計(jì)算每人平均載荷，則各種群之間較為接近，但歐洲人平均每人的遺傳載荷還是稍高于其它人群。重要的是，無論在哪個(gè)人群，與衰老和線粒體功能有關(guān)的基因都更有可能獲得有害突變，這和鳉魚是一致的。
圖5. 黑猩猩比人攜帶的有害突變多。在不同人群中，歐洲人比其他人群攜帶的有害突變總量稍多（美洲人樣品實(shí)際上為歐、非、美洲土著混種）。在大腦發(fā)育中表達(dá)的基因較不容易累積有害突變。與衰老和線粒體相關(guān)的基因在多數(shù)人類種群中都更容易受放松選擇影響
在一年生鳉中，負(fù)責(zé)線粒體復(fù)制的聚合酶γ也由于放松選擇累積了有害突變（圖6）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些突變的有害性，研究人員與Martin Graef團(tuán)隊(duì)合作，將酵母的聚合酶γ上的同源氨基酸位點(diǎn)改變?yōu)閷?duì)應(yīng)的鳉魚聚合酶上的氨基酸，并檢測(cè)了這些突變是否影響該酶的保真性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，9個(gè)一年生鳉的突變中有6個(gè)都會(huì)降低線粒體DNA的復(fù)制保真性，其余三個(gè)則不顯著改變保真性，證實(shí)了放松選擇會(huì)使近中性的有害突變逃脫自然選擇。在實(shí)際數(shù)據(jù)中，一年生鳉的線粒體DNA突變率也較高，不符合分子鐘假設(shè)，而且其線粒體基因由于突變率增高，導(dǎo)致進(jìn)一步受到放松選擇，基因組也增大，這與核基因組規(guī)律相同。
圖6. 一年生鳉的線粒體復(fù)制相關(guān)基因多受到放松選擇影響，積累了有害突變。利用酵母測(cè)試了其中9個(gè)突變，證實(shí)其中6個(gè)會(huì)降低線粒體DNA復(fù)制的保真性。相對(duì)應(yīng)地，一年生鳉魚的線粒體DNA突變率也較高，使線粒體分子樹顯著偏離分子鐘假設(shè)。線粒體的蛋白編碼基因也受到放松選擇影響，線粒體基因組增大
簡(jiǎn)而言之，該研究以實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，支持了壽命進(jìn)化的突變累積假說，支持了近中性理論可解釋生物衰老相關(guān)疾病的進(jìn)化。生物之所以有壽命限制，是由于自然選擇在年老生物中“不作為”導(dǎo)致的。如果希望從基因?qū)用嫜泳徦ダ?，或許可以先從那些受到了放松選擇的基因入手。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.06.004
制版人：珂
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