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科学家探索物种间DNA组成多样性背后的奥秘

发表于 2018-01-08

 

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为了制造出符合生命多样性的标志性扭曲双螺旋,DNA规则规定G总是与C配对,A与T配对。


但是,加起来,物种中G + C与A + T的含量并不是一个简单的固定百分比,也不是一个标准的一对一的比例。


例如,在单细胞生物中,G + C含量可以从天蓝色链霉菌(Streptomyces coelicolor)等细菌的72%变化,而导致疟原虫的原生动物寄生虫(Plasmondium falciparum)只有20%。


在单细胞真核生物中,酵母含有38%的G + C含量,玉米等植物含有47%,人类含有41%。


最大的问题是,为什么?


亚利桑那州立大学生物设计研究所新进化机制研究中心负责人迈克尔·林奇(Michael Lynch)表示:“这是基因组进化中长期存在的问题之一,之前有人试图解释这个问题。


DNA本身的化学性质是否有利于一个核苷酸的存在,或者突变压力的偏倚是否有所不同?如果是这样的话,为什么这种物种在物种之间会有所不同?


林奇表示:“由于缺乏关于突变过程的重要观察,所以一直在摸索机制是什么。


迈克尔·林奇(Michael Lynch)的小组现在已经通过实验证明,G + C的成分一般都是强烈支持的,而这种情况常常被相反方向的各种优势的突变压力所抵消。


“平均而言,无论DNA的种类,物种基因组的大小,还是在生命进化树上发现物种的地方,自然选择或其他因素(可能与重组力相关)都有利于G + C含量, “林奇说。


这项研究发表在“ 自然生态与进化 ”杂志上。


犯错是普遍的


推动进化是DNA突变,基因组中的错误被引入并传递给下一代,从而随着时间的推移,为发明新的适应性或特性提供了燃料。


为了解决这个问题的核心,科学家想要一种方法来量化实验室内各种DNA突变的范围。


现在可以通过新技术来完成这一工作,从而使DNA测序更快,更便宜。它推动了进化实验生物学的黄金时代。


Lynch说:“我们从在我的实验室检查的大约40种物种的基因组水平上了解突变谱知识开始。“你可以使用这些信息来计算在没有选择的情况下GC的组成是什么,然后我们可以将这个零期望与实际的基因组内容进行比较,差异是由于选择的缘故。


在迄今为止最大规模的巡回实验中,他们检查了不同物种的每一个DNA突变,测序了几十亿个DNA化学碱基。


实验的博士后研究人员Hongan Long说:“这代表了测试具有高统计能力的不同进化模型所需的非常大的工作量,工作量和成本。


他们还利用了对25个当前突变数据集和12个新的突变 - 积累(MA)实验(许多来自他们自己的实验室)的分析,包括细菌和多细胞生物,包括酵母,蠕虫,果蝇,黑猩猩和人类。


在每个MA实验中,他们对大约50种不同细菌系进行了完整的基因组测序,这些细菌系已经通过严重的单细胞瓶颈传代数千次细胞分裂。


Long说:“每条细胞的单细胞通道就像一个过滤器,消除了自然选择修改除最严重和有害突变之外的所有累积的能力,从而使我们对突变过程有一个有效的公正观点。


每一代,他们都仔细地测量了突变率,或每一次只有一个DNA字母改变的情况。


这可以以两种方式发生:将单个G或C DNA碱基对转换成A + T方向; 或者相反的情况发生,在G + C方向上A或T基地切换。


在所有的数据和数据处理之后,G + C含量和基于DNA突变的期望之间出现了一个引人注目的模式。


Lynch说:“事实证明,它们是相互关联的,”基于中立性,G + C的构成总是高于你的预期,这说明存在着普遍的选择,所以突变驱动整体模式, G和C超过A和T,将基因组含量提高到中性突变期望以上。


这似乎几乎是普遍真实的。“


开始的结尾


现在他们已经显示了G + C的构成关系,为更多的问题打开了大门,而这个答案仍然是难以捉摸的。


“一个问题是'为什么突变谱在物种间变化如此巨大'”?林奇问。“物种不具有相同的突变谱,有些物种的突变谱更丰富,还有更丰富的GC,我们还不知道这种突变谱背后的机制。”


他们可能是由于化学和生物物理学的简单差异。


一个可能相关的通用力量是由DNA字母的化学驱动的DNA稳定性。保持DNA梯子完整的力量被称为氢键。G:C对涉及三个氢键,而A:T对只涉及两个。


Lynch表示:“普遍认为更多的G:C含量增加了基因组的稳定性。”


另一种可能是在繁殖期间,当DNA链从每个亲本交织在一起形成一个受精卵时,碱基配对中可能出现错配,导致DNA校正酶必须稍后修复的错误。有时候,G可以变成A,或T变成C,在错配修复过程中转换基因。


林奇说:“这通常被认为是偏向于Gs和Cs。”


现在,随着他们的实验设置,Lynch的团队正准备进一步探索这个巨大谜团背后的进化机制和基本力量。

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