為了制造出能夠解釋生命多樣性的標(biāo)志性扭曲雙螺旋，DNA規(guī)則規(guī)定G總是與C配對(duì)，A與T配對(duì)。但是，當(dāng)它全部加起來時(shí)，物種中G + C與A + T含量的數(shù)量不是簡(jiǎn)單的固定百分比或標(biāo)準(zhǔn)的一對(duì)一比率。

例如，在單細(xì)胞生物體內(nèi)，G + C含量可以在天然鏈霉菌(Streptomyces coelicolor)等細(xì)菌中的72%變化，而引起瘧疾的原生動(dòng)物寄生蟲惡性瘧原蟲(Plasmondium falciparum)的含量?jī)H為20%。

在單細(xì)胞真核生物中，酵母含有38%的G + C含量，玉米等植物含有47%，人類含有約41%。

最大的問題是，為什么?

“這一直是基因組進(jìn)化中長(zhǎng)期存在的問題之一，而之前解釋它的嘗試涉及相當(dāng)多的揮手，”邁克爾林奇說，他是亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所新的進(jìn)化機(jī)制中心的負(fù)責(zé)人。

DNA本身的化學(xué)性質(zhì)是否有利于一個(gè)核苷酸而不是另一個(gè)核苷酸，或突變壓力的偏差是否會(huì)發(fā)生變化，如果是這樣，為什么物種之間會(huì)有所不同?

“在缺乏關(guān)于突變過程的關(guān)鍵觀察結(jié)果的情況下，人們一直難以理解這種機(jī)制是什么，”林奇說。

邁克爾林奇的小組現(xiàn)在已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明G + C成分通常受到強(qiáng)烈青睞，而這往往與相反方向的各種強(qiáng)度的突變壓力相反。

“平均而言，自然選擇或某些其他因素(可能與重組力相關(guān))有利于G + C含量，無論DNA的種類，物種基因組的大小，或物種在生命進(jìn)化樹上的位置， “林奇說。

該研究發(fā)表在“自然生態(tài)學(xué)與進(jìn)化”雜志上。

犯錯(cuò)是普遍的

驅(qū)動(dòng)進(jìn)化是DNA突變，基因組中的錯(cuò)誤被引入并傳遞給下一代，因此隨著時(shí)間的推移，為新的適應(yīng)性或性狀的發(fā)明提供燃料。

為了解決問題的核心，科學(xué)家想要一種方法來量化實(shí)驗(yàn)室中跨越大范圍物種的全部DNA突變。

現(xiàn)在可以部分通過新技術(shù)使DNA測(cè)序更快更便宜。它推動(dòng)了進(jìn)化實(shí)驗(yàn)生物學(xué)的黃金時(shí)代。

“我們從在實(shí)驗(yàn)室檢查的約40種物種的基因組水平上發(fā)生的突變譜的知識(shí)開始，”林奇說。“你可以使用這些信息來計(jì)算在沒有選擇的情況下GC成分是什么。然后我們可以將這種無效期望與實(shí)際基因組含量進(jìn)行比較，差異是由于選擇。”

在迄今為止最大規(guī)模調(diào)查的巡回實(shí)驗(yàn)中，他們檢查了不同物種的每一個(gè)DNA突變，對(duì)數(shù)十億個(gè)DNA化學(xué)堿進(jìn)行了測(cè)序。

“這代表了非常大的工作量，努力和成本，這是測(cè)試具有高統(tǒng)計(jì)功效的不同進(jìn)化模型所必需的，”負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的博士后研究員Hongan Long說。

他們還利用了對(duì)25個(gè)當(dāng)前突變數(shù)據(jù)集的分析和12個(gè)新的突變 - 積累(MA)實(shí)驗(yàn)(許多來自他們自己的實(shí)驗(yàn)室)，包括細(xì)菌和多細(xì)胞生物的動(dòng)物，包括酵母，蠕蟲，果蠅，黑猩猩和人類。

在每個(gè)MA實(shí)驗(yàn)期間，他們對(duì)大約50種不同的細(xì)菌系進(jìn)行了完整的基因組測(cè)序，這些細(xì)菌系已經(jīng)通過嚴(yán)重的單細(xì)胞瓶頸傳代數(shù)千個(gè)細(xì)胞分裂。

“每條細(xì)胞的這種單細(xì)胞傳代就像一個(gè)過濾器，消除了自然選擇的能力，以修改除最嚴(yán)重和有害突變之外的所有突變的積累，使我們能夠有效地?zé)o偏見地觀察突變過程，”Long說。

每一代，他們都會(huì)仔細(xì)測(cè)量突變率，或者只改變一個(gè)DNA字母時(shí)的每次出現(xiàn)。

這可以通過兩種方式發(fā)生：?jiǎn)蝹€(gè)G或C DNA堿基對(duì)被轉(zhuǎn)換為A + T方向;或者相反的情況可能發(fā)生，A或T基極在G + C方向切換。

在所有數(shù)字和數(shù)據(jù)處理之后，G + C含量和基于DNA突變的期望之間出現(xiàn)了驚人的模式。

“事實(shí)證明，它們是相關(guān)的，”林奇說道。“基于中立性，G + C的構(gòu)成總是高于你的預(yù)期。這告訴我們存在普遍的選擇。因此，突變驅(qū)動(dòng)整體模式，但選擇G和C比A和T更能將基因組含量提升到中性突變期望之上。

這似乎幾乎普遍存在。“

結(jié)束了

現(xiàn)在他們已經(jīng)展示了G + C組合的相關(guān)性，它為更多的問題打開了大門，而答案仍然是難以捉摸的。

“一個(gè)問題是，'為什么突變譜在物種間的變化如此顯著'”?林奇問。“物種不具有相同的突變譜。有些物種的突變譜更富含AT，而其他物種更富含GC。我們?nèi)匀徊恢劳蛔冏V中這種分歧背后的機(jī)制。”

它們可能是由于化學(xué)和生物物理學(xué)的簡(jiǎn)單差異。

可能相關(guān)的一個(gè)普遍力量是DNA穩(wěn)定性，由DNA字母的化學(xué)驅(qū)動(dòng)。保持DNA梯子完整的力稱為氫鍵。G：C對(duì)涉及三個(gè)氫鍵，而A：T對(duì)僅涉及兩個(gè)。

“流行的想法是更多的G：C含量增加了基因組的穩(wěn)定性，”林奇說。

另一種可能性是在繁殖期間，當(dāng)DNA鏈從每個(gè)親本交織產(chǎn)生受精卵時(shí)，在堿基配對(duì)中可能發(fā)生錯(cuò)配，導(dǎo)致DNA校對(duì)酶后來必須修復(fù)的錯(cuò)誤。有時(shí)，G可以變?yōu)锳，或者T變成C，在這種不匹配修復(fù)過程中轉(zhuǎn)換基因。

“這通常被認(rèn)為偏向于Gs和Cs，”林奇說。

現(xiàn)在，憑借他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，林奇的團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備進(jìn)一步探索這個(gè)偉大神秘背后的進(jìn)化機(jī)制和基本力量。