一次减数分裂产物的直接测序揭示了遗传突变的重要分子机制,测序检测了遗传突变的发生

国家自然科学基金委网站近日报道了我校田大成团队在遗传突变的分子机制研究上取得的重要进展。原文如下:(

遗传突变分子机制研究取得重要进展

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突变是重要的生物现象,它提供了物种变异和演化的最原始材料。对于突变的研究一直是探寻生命基本规律的前沿领域。南京大学生命科学学院田大成课题组与巴斯大学Laurence
D.
Hurst教授合作在突变与杂合度的相关性研究中取得重要进展,其研究成果《Parent-progeny
sequencing indicates higher mutation rates in
heterozygotes》
于7月16日在《Nature》在线发表。南京大学田大成教授是该论文的第一通讯作者,杨四海教授、博士研究生王龙和黄驹是该论文的共同第一作者。

7月16日,Nature在线发表了南京大学田大成团队的研究成果—“Parent-progeny
sequencing indicates higher mutation rates in
heterozygotes”。该研究利用拟南芥、水稻等自花传粉植物,构建了来自相同遗传背景的、经历一次减数分裂的纯合体、杂合体及其分离世代,测序检测了遗传突变的发生,发现突变率与同源染色体间的异质性密切相关,异质促进突变,这一结果丰富了人们对遗传突变发生分子机制的认识。

该文利用拟南芥、水稻等自花传粉植物,构建了来自相同遗传背景的、经历一次减数分裂的纯合体、杂合体及其分离世代,进而测序检测遗传突变的发生。一次减数分裂产物的直接测序揭示了遗传突变的重要分子机制。

减数分裂过程中产生的遗传突变,是生物多样性产生的变异源头,也是生物适应性演化的内在驱动力。目前,对突变率的估计主要是基于经历多个世代的DNA序列的分析。由于有害突变的普遍性,这种序列或多或少都要受到自然选择的影响。因此,对一次减数分裂产物的测序,直接测定其突变的数量、分布及其影响因素,可望从源头上回答“生物的遗传变异究竟是如何产生的”这一基本的生命科学问题。

杂合现象是指生物体内来自双亲的两套同源染色体存在一定差异的现象,这一现象广泛存在于各种生物,也是杂种优势形成的主要原因。在减数分裂过程中,双亲染色体间会密切的相互作用,这一时期同时也是可遗传突变发生的关键时期,而在此过程中双亲染色体的差异对突变率究竟有何影响一直是一个未解之谜。

田大成研究团队的基因组序列分析表明:突变率与同源染色体间的异质性密切相关。植物的杂合体比纯合体突变率高3-4倍;染色体间的杂合区间比纯合区间的突变率高;随着F1、F2、F3代和亲本植株的杂合度由100%减少到0,突变数量也随之递减;越接近亲本染色体间的异质位点、越接近DNA的断裂位点,突变的数量越多;用来自同一个F1植株的F2代个体,检测到异质、重组与突变之间显著的正相关,暗示异质性可促进DNA断裂,进而促进重组与突变;遗传差异度高的基因家族突变率也更高,显示受正选择基因家族所具有的较大差异度,其本身具有促进突变的作用。因此这些家族受到的正选择强度,并非如同通常假设的那么强;突变率的数量级在不同物种中相对一致。

田大成课题组借助二代测序技术,以拟南芥和水稻为主要实验材料,直接对亲本和子代进行全基因组测序,筛选出了可信度极高的突变数据。通过比较杂交个体和纯合个体产生后代的突变率,发现了杂交个体的后代突变率可以达到纯合体的3倍以上。不仅如此,杂交后代中杂合区域的突变率也高于纯和区域,杂合度越高的区域发生突变的可能性也越高。研究还发现减数分裂中发生重组的断点和杂合度与突变率之间也存在着正相关的关系,暗示了重组可能也参与了这一过程。这些证据都说明了双亲染色体之间的差异可能有着潜在的促进突变作用。

异质促进突变的现象可对一些重要科学问题提供另一种解释。比如:近年来观察到突变热点的普遍存在,也许一定程度上和同源染色体间的异质性相关;多样性高的基因家族突变率较高,而多样性低的则较低。这种现象暗示遗传变异与自然选择,不完全是一种先后的关系。突变率的变化与自然选择是一致的,暗示突变率的变化提高了自然选择的效率。突变率本身也是自然选择的结果;个体的异质性一般与群体的多样性相关,暗示物种间的交配与繁殖方式、群体的多样性等,与这些物种本身的遗传变异与演化速率相关;异质促进突变,丰富了对突变发生分子机制的认识。

染色体差异促进突变的现象,不仅表明了生物体的突变速率,与物种的交配方式、个体的染色体差异等有着密切的关系,同时也给基因组普遍存在的突变热点提供了合理的解释。对这一现象的深入研究,可加深对突变产生的分子基础、由突变引发恶性疾病的分子机制、乃至于物种形成和演化过程的理解。

这项工作得到了国家自然科学基金重大研究计划“微进化过程的多基因作用机制”重点支持项目及培育项目等资助。

另外,该团队在减数分裂过程中的重组研究也取得重要进展,发现了重组热点普遍存在于各个物种,但重组冷点只在个别物种;在某些环境胁迫条件下,重组率较正常材料有显著的提高;与其他动植物相比,蜜蜂具有非常高的重组率;高重组率区域与工蜂社会性行为相关基因具有高度的相关等。

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该研究得到国家自然科学基金委微进化过程的多基因作用机制重大研究计划重点项目等的资助。(来源:科学网
崔雪芹)

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