研究揭示人类基因组如何发生变化

2016-05-24 佚名 中国科学报

在大型基因组数据库的帮助下,研究人员能探测正在进化中的特征,比如英国人的金发。 图片来源:George Clerk/iStockphot 很多人认为,进化需要几千年或者上百万年,但生物学家知道,它能很快发生。如今,由于基因革命,研究人员实际上可以追踪标志着进化正在进行的种群水平上的基因漂移,并且他们正在人类当中这么做着。近日,在基因组生物学会议上得以展示的两项研究证实了人类基因组如何在几个

在大型基因组数据库的帮助下,研究人员能探测正在进化中的特征,比如英国人的金发。

图片来源:George Clerk/iStockphot

很多人认为,进化需要几千年或者上百万年,但生物学家知道,它能很快发生。如今,由于基因革命,研究人员实际上可以追踪标志着进化正在进行的种群水平上的基因漂移,并且他们正在人类当中这么做着。近日,在基因组生物学会议上得以展示的两项研究证实了人类基因组如何在几个世纪或几十年间发生变化,并且描绘了自罗马时代以来英国人如何进化得更加高大和白皙,以及在上一代人中一种喜爱吸烟的基因的影响如何在一些人群中变小。

“能研究正在进行中的选择是一件令人激动的事情。”美国哥伦比亚大学进化生物学家Molly Przeworski表示,这些研究表明了人类基因组如何以细微但有意义的方式对新的条件迅速作出反应。“从理解进化的角度来说,它是游戏规则的改变者。”

进化生物学家长期关注新突变在产生新特征方面发挥的作用。不过,一旦新突变出现,它肯定会在某个种群中扩散。每个人都携带着一个基因的两个拷贝,但这些拷贝会在个体内部和个体中间出现轻微的变化。一个拷贝中的突变可能令身高增加,而另一个拷贝或等位基因中的突变或许会让身高减少。如果正在改变中的条件有利于长高,那么高个子的人将拥有更多后代,而编码身材高大的变异体的更多拷贝也将在人群中传播。

在巨大的基因组数据集的帮助下,如今科学家能追踪等位基因频率在很短时间尺度内的进化改变。来自斯坦福大学的Jonathan Pritchard及其博士后Yair Field通过计算在每个基因组中都能见到的独特单碱基变化做到了这一点。这类罕见的单个变化,或者说是单个拷贝基因可能很新,因为它们没有时间在人群中扩散。由于等位基因会在传播时携带上临近的DNA,因此附近DNA上的单个拷贝基因数可被当成粗糙的分子钟使用,从而指示该等位基因在频率上变化得有多快。

作为英国“万人基因组计划”的一部分,Pritchard团队分析了收集到的3000个基因组。对于每个基因组中感兴趣的每个等位基因,Field计算了基于附近单个独特突变密度的“单个拷贝基因密度得分”。这种方法能揭示过去100代人,或者说约200年间的选择。

斯坦福大学研究生Natalie Telis、Evan Boyle和博士后Ziyue Gao在赋予乳糖耐量(一个使成年人消化牛奶的特征)并且编码特定免疫系统受体的等位基因附近,发现了相对较少的单个拷贝基因。在英国人群中,这些等位基因明显被高度选择,并且迅速扩散。该团队还在决定金色头发和蓝色眼睛的等位基因附近发现了较少的单个拷贝基因,表明这些特征在过去2000年间也在迅速扩散。Field在上述会议的讲话中以及预印本服务器bioRxiv.org上报告了这些发现。一个进化驱动因素可能是英国灰暗的天空:决定金色头发的基因还带来更浅的肤色,而这使得身体在阳光稀缺的条件下产生更多维生素D。也或者受到对金发碧眼伴侣的偏好的驱动,性别选择一直在发挥作用。

其他研究人员对这项新技术表示赞赏。“这种方式看上去能探测到更加细微和普遍的选择信号。”德国马普学会进化人类学研究所进化遗传学家Svante表示。

作为表明该方法威力的另一个迹象,Pritchard团队还探测到由上百个基因中的微小变化而非单个基因控制的特征选择。这些特征包括婴儿的身高、头围以及对婴儿分娩至关重要的女性臀围。通过研究单个拷贝基因的密度,Pritchard团队发现,对这3个特征的选择发生在最近几千年的基因组中。

纽约基因组中心进化遗传学家Joseph Pickrell利用一种不同策略,将选择置于更加敏锐的显微镜下,从而在一代人的尺度上探测到进化迹象。他和Przeworski仔细研究了拥有欧洲血统的6万人,以及来自一项名为“英国生物样本库”的大规模测序行动的15万人的基因组。他们想知道,基因变异体是否会在不同年龄的个人当中更改频率,从而揭示在一代或两代人中正在发挥作用的选择。该生物样本库包括相对较少的老年人,但拥有关于参与者父母的信息,因此团队成员还研究了父母死亡和子女等位基因频率之间的关联。

不过,短时间尺度内的选择迹象将永远受到统计波动的“折磨”。然而,研究人员认为,这两个项目“表明了大规模研究在理解哪些因素决定了当今社会中人类生存和繁衍方面的威力”。

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