西湖论坛：突变产生的机制、演化规律及影响

前言

2023年8月26日，浙江大学生命演化研究中心组织了演化生物学与分子、细胞生物学交叉研讨会。

 

突变产生的机制、演化规律及影响

封面 DNA上的突变  来源于谷歌

 

本次研讨会聚焦“突变产生的机制、演化规律及影响”这一主题，由浙江大学生命演化研究中心张国捷教授主持，北京大学徐冬一研究员、北京师范大学张莹研究员，中科院动物所曲静研究员、张勇研究员，复旦大学胡晋川研究员，西湖大学窦岩梅研究员，浙江大学生命科学研究院黄俊教授、方东研究员，浙江大学生命演化研究中心冯少鸿研究员、刘昊轩研究员出席了此次研讨会。本文章将介绍本次论坛讨论的一些议题。

 

DNA损伤修复

作为生命的遗传物质——DNA的复制是一种非常精确的生物学过程。整个复制过程是受到精密调控的，确保每个DNA碱基得以正确复制，并避免错误的插入或缺失。除此之外，DNA还时时刻刻受到内外环境的刺激而产生损伤。为了保护基因组的完整性，生命演化出了一套精细且复杂的机制。浙江大学生命科学研究院的黄俊教授详细介绍了人类中的DNA损伤修复通路。人类细胞中平均每个细胞每天大约发生七万次不同类型的损伤。当面对这些复制压力的时候，细胞会采取三种应对策略。一是“先破后立”，通过切断损伤位点，利用同源重组的方式来修复损伤位点；二是“以退为进”，复制叉在损伤位点发生翻转，使得停滞的复杂叉稳定；最后是“向死而生”，在无法修复损伤的时候，细胞会启动凋亡机制，消灭损伤细胞。在机体的损伤修复机制出现问题的时候，通常会引起一些严重疾病，如范可尼贫血症（Fanconi Anemia）、赛科尔综合征（Seckel Syndrome）、家族遗传性乳腺癌/卵巢癌和布鲁姆综合征（Bloom’s Syndrome）等。

 

浙江大学生命科学研究院黄俊教授

 

细胞对复制压力的应对策略

 

通过对DNA损伤修复通路的研究可以帮助我们治疗癌症等多种疾病，北京大学生命科学学院的徐冬一研究员介绍了经典的利用PARP抑制剂来治疗癌症的方法。BRCA基因突变是癌症中常见的驱动突变，广泛存在于乳腺癌和卵巢癌中。BRCA基因是同源重组修复通路的重要一环，该基因突变失活后细胞会累积大量突变，促进癌变的发生。如果对这类癌细胞使用PARP抑制剂来阻碍它的平行通路的话，细胞会因为无法修复DNA损伤而凋亡。因此PARP抑制剂大量在临床上做抗癌药物使用，并且取得了不错的效果。但是，此类药物也不是完美的，像其它许多靶向药物一样，在长期使用此类药物后，癌细胞也会产生抗药性。其中的机制是，癌细胞会产生新生突变，使细胞重新启动同源重组通路来修复损伤。

 

北京大学生命科学学院徐冬一研究员

 

PARP抑制剂的抗癌原理

 

研究DNA损伤修复的前提是知道这些损伤修复事件发生在基因组的什么位置。复旦大学生物医学研究院的胡晋川研究员介绍了自己团队研发的可以精确定位损伤修复的方法。Damage-seq和XR-seq可以定位DNA加合物与核苷酸切除修复，并且绘制出基因组分布的图谱。这些方法被科学界广泛引用，推动了DNA损伤修复研究领域的发展。在此基础之上，胡晋川团队利用ChIP与Damage-seq结合的技术，首次实现了蛋白-DNA损伤相互作用的单碱基分辨率检测，推动了该方向机制的研究。

 

复旦大学生物医学研究院胡晋川研究员

 

Damage-seq与XR-seq

 

生殖细胞

与体细胞的突变

DNA复制或者损伤修复中保留的碱基变异叫做突变。突变按是否可以遗传，分为生殖细胞突变和体细胞突变。在高等动物中，出现了生殖系统和其它系统的分化。生殖系统中产生的，能传给后代的突变叫生殖细胞突变。身体其它系统发生的、不能被后代继承的叫体细胞突变。生殖细胞突变在物种演化中有重要得作用，它的频率也受到广泛的关注。生殖细胞的突变率的单位一般用每代每个碱基的突变数量（/site/generation）或者每年每个碱基的突变数量（/site/year）。

 

浙江大学生命演化研究中心的张国捷教授介绍了自己团队在此方向上的工作。首先，明确了突变率作为重要性状是受到其他生活性状的调控的，并且在不断演化的过程中。前人对脊椎动物的生殖突变率的研究多是单一物种，因为实验和分析的工作量比较大。截止至2022年，已知的生殖细胞突变率的脊椎动物约有20种，张国捷团队经过大量实验工作，一次测定了68种脊椎动物的生殖细胞突变率，将此方向上的数据量翻了数倍。在此基础上，可以分析生殖细胞突变率的影响因素与演化模式。该研究首先揭示了脊椎动物间巨大的突变率差异，在不同物种间有超过125倍的差异（/site/year）。更重要的是，该研究发现了与生殖细胞突变率紧密相关的一些参数是与生活史相关的性状，如世代时间、性成熟时间、产仔数量和有效种群大小等。

 

浙江大学生命演化中心张国捷教授

 

脊椎动物间生殖细胞突变率的差异

 

体细胞突变虽然不会遗传给后代，但是对个体的机体健康有重要影响。比如超过7000种疾病由体细胞突变引起，并且体细胞突变与衰老紧密相关。西湖大学的窦岩梅研究员介绍了自己团队在体细胞突变的鉴定及应用的工作。生殖细胞突变会遗传给后代的每个细胞，而体细胞突变，只会存在于一部分细胞中，根据突变产生的发育阶段时间，在个体中有不同的组织或者不同比例的细胞携带此突变。这个特性也给体细胞突变的鉴定带来了难度。窦岩梅研究员介绍了自己研发的利用机器学习来鉴定体细胞突变的算法MosaicForecast。该算法可以在NGS数据中精确地鉴定出体细胞突变，准确率远高于其它算法。通过对体细胞突变的鉴定，可以追溯出这些突变的系统发生关系。还可以推测出在发育的最初始阶段，每次细胞分裂会带来2-3个体细胞突变。这些研究对与解释体细胞突变与人类健康的关系有重要作用。

 

西湖大学窦岩梅研究员

 

生殖细胞突变与体细胞突变

 

突变率的演化驱动力

前文提到，突变率作为一个重要的性状，在不断演化的过程中，存在自身的演化规律。一般来讲，一个性状的高低水平决定于作用在这个性状上的演化驱动力。那么作用在突变率上的有哪些演化驱动力呢？浙江大学生命演化研究中心的刘昊轩研究员介绍了这一方向上的工作。因为多数突变都是有害的，这些有害作用会驱动突变率下降，这也是为什么目前所有物种的突变率都在很低的水平上（<10-7 /site/generaiton）；除有害突变外，还有一小部分的有益突变，这些突变对物种演化起决定性的作用，这部分有益作用会驱动突变率上升；还有一个影响突变率的因素是能量时间消耗，指的是细胞花费在复制校对和损伤修复上的能量和时间，突变率越低的话，此部分的消耗就越多，所以此消耗会驱动突变率上升。目前关于突变率的演化模型有，考虑全部三个驱动力的经典模型，和只考虑有害突变的漂变屏障模型。在酵母中的研究发现，在移除自然选择后，突变率既可能上升也可能下降。这一发现与经典模型相吻合而否定了漂变屏障假说。

 

浙江大学生命演化中心刘昊轩研究员

 

突变率演化的经典模型与漂变屏障模型

 

广义的突变不仅仅指DNA的变异，也包括细胞内表观调控水平的变异。此类变异也有被遗传的可能性。北京师范大学的张莹研究员介绍了此类获得性遗传的研究进展。小鼠在高脂肪饮食的条件下会出现肥胖表型，但是实验发现，肥胖小鼠的后代在移除高脂肪饮食后，也容易变得肥胖。令人意外的是，对肥胖小鼠进行基因组测序并没有发现DNA水平的突变，进一步的研究发现该现象可能是由于精子内的tRNA介导的获得性遗传。

 

北京师范大学张莹研究员

 

肥胖小鼠的获得性遗传

 

衰老被认为与体细胞累计的突变有紧密关系。中科院动物所曲静研究员介绍了衰老机制及再生干预研究，在干细胞衰老平台、衰老预警因子和衰老干预因子三个方向上介绍了最近研究成果

 

中科院动物所曲静研究员

 

衰老机制的研究方向

 

大规模的突变，如重组错误、复制错误、或者转座子的活动，可能会造成大片段DNA的重复。这个机制也是新基因起源的重要驱动力。中科院动物所张勇研究员介绍了这个方向的最新研究进展。张勇团队通过对人类和果蝇的基因组进行分析，揭示了由于突变偏好引起的基因重复事件；通过挖掘大量的基因组数据，发现转座子介导的基因重复是广泛存在的。

 

中科院动物所张勇研究

 

转座子介导的基因重复

 

除DNA外，组蛋白和组蛋白的甲基化也可以被遗传。组蛋白上有多种修饰，这些修饰对细胞命运的调控有重要作用，浙江大学生命科学研究院的方东研究员介绍了这一领域的最近进展，并探讨了原癌组蛋白诱导癌症形成的机理。

 

浙江大学生命科学研究院的方东研究员

 

原癌组蛋白诱导癌症形成机理

 

突变是物种多样性的根本来源。浙江大学生命演化研究中心的冯少鸿研究员介绍了万鸟基因组计划，其中一部分收集了组学数据、胚胎发育数据、表型数据和地理数据。在此基础上，研究了喙形态、脑容积、翅膀形态和蛋形态的遗传变异基础，并且建立了性状介导下的气候响应模型。

 

浙江大学生命演化中心冯少鸿研究员

 

鸟类中大规模数据收集及研究方向

 

问题探讨

在介绍完各自领域的最新研究成果后，老师们对以下问题进行了热烈的讨论。

 

（1）机制上如何解释生殖细胞的突变数量远低于体细胞？

在人类中，传给后代的生殖细胞突变约为70个，但是在其它体细胞中，每个细胞约有1000到4000个突变，造成这个差异的原因尚不明确。

 

（2）为什么男性的生殖突变数量是女性的三倍？

这个现象在演化领域叫做male-driven evolution，对这个现象有两个解释，一是精子分裂的次数多余卵子，所以精子会累积更多突变；二是男性生殖系统由于生理结构、基因表达等原因，更易受到环境的刺激而产生突变。男性的生殖细胞随着男性的年龄增长不断分裂，因此，男性的生殖细胞与女性的生殖细胞的突变率比值应该和男性的年龄呈明显的正相关性，而事实并非如此，这个比值在不同年龄下均保持在3：1的比值。

 

（3）体细胞突变与癌症的关系。

研究发现，在不同物种间，体细胞突变率与癌症发生的概率呈正相关。但是癌症发生是否由高突变率引起并不清楚。

 

参会的各位老师进行热烈的讨论