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和父母相比，每一個子女都會攜帶新產生的DNA突變，而不同物種的隔代突變率是不同的。浙江大學生命演化研究中心教授張國捷的團隊通過跨物種比較分析，揭示了不同物種DNA突變率差異的根本原因和演化規律。3月2日，這一研究成果發表于《自然》。
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研究材料之一的鬃獅蜥 張國捷團隊供圖
爬行動物和鳥類更易發生DNA突變
無論是演化生物學，還是醫學基因組學，一直都把突變率作為重點關注對象，因為它是遺傳變異的最終來源和生物演化的重要驅動力。
生物產下的后代可能產生與父母不同的新性狀，根本原因在于生殖細胞的DNA發生了突變，從而導致代際之間的基因組產生了差異。突變率的大小會影響物種長遠的演化能力，但過多的突變也會導致疾病發生，從而對生存造成影響，因此，物種在每一代產生的突變數量都存在一定的界限。但在不同物種中，這種代際間新發突變產生的頻率并不相同。
然而，不同物種DNA突變速率差異的根源一直困擾著生物學家。找到這個問題的答案，對理解DNA突變的產生機制和細胞癌變的機制也有重要借鑒意義。
論文第一作者、張國捷課題組博士后研究員露西·伯杰龍介紹，在這項研究中，科研人員對68種脊椎動物323個家系的高深度基因組進行了測序分析，涵蓋了哺乳動物、鳥類、爬行類和魚類等，并對每個物種新生突變的發生率進行了準確測量，從而為理解它們的種間差異提供了基礎。
分析結果顯示，不同物種每一代生殖細胞產生的突變率相差可達40倍。平均而言，爬行動物和鳥類每一代的突變率要高于哺乳動物和魚類。但伯杰龍告訴《中國科學報》：“考慮到這些物種之間生活史特征的巨大差異，40倍并不算非常巨大的差異。總體來說，脊椎動物有比較相似的機制引發生殖細胞的DNA突變。”
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胚系突變率在68種脊椎動物中的差異分布 張國捷團隊供圖
繁殖能力影響世代間基因突變率
生物學界存在一個著名的理論叫作“雄性驅動演化假說”。該假說認為，在哺乳動物和鳥類中，雄性生殖細胞分裂的次數要比雌性大得多，這就導致了胚系突變率在同一物種不同性別之間出現了偏差。或者說，在后代所產生的新變異中，主要是由于來自父親的基因組發生的突變。
“然而，父母雙方分別貢獻了多大比例，我們依然知之甚少。”論文通訊作者張國捷表示，這項研究在這一問題上獲得了更為全面的認識，并對這一理論提出了補充。他們發現，在鳥類后代中新出現的突變，大約75%是來自于父親生殖細胞的變異，哺乳動物中這一比例大約是67%。而在冷血動物的魚類和爬行類動物中，雌雄雙方對后代新生變異的貢獻接近一致。
該研究還分析了物種間生活史特征的差異對突變率的影響。研究人員發現，當物種的性成熟年齡越早，或者每一代的后代數目越多，這一物種生殖細胞的每一代突變率就越低；在人工飼養的動物中，由于適合生育的生殖年齡降低，馴化品種相對于野生物種在生殖細胞中具有更高的年均突變率。此外，研究還證明了遺傳漂變對物種胚系突變率也存在影響。當物種有效種群規模越大，每一代新突變的產生速率就越低。
“生殖細胞的DNA發生突變是物種演化最源頭的動力，突變率大小影響著物種的演化潛力，對物種產生新的有利或者不利的性狀具有重要影響。”張國捷解釋，“我們的研究表明，突變率本身如同其他生物性狀一樣在不同物種之間存在差異，同時在宏觀演化過程中，也會受到其他生物性狀的影響。”