来自以色列和加纳的一组研究人员进行的一项新研究带来了人类基因非随机突变的第一个证据，通过显示对环境压力的长期定向突变反应，挑战了进化理论核心的核心假设。由海法大学的AdiLivnat教授领导的研究人员使用一种新方法表明，在疟疾流行的非洲人中，预防疟疾的HbS突变的产生率高于欧洲人，不在的地方。
“一个多世纪以来，进化的主要理论一直基于随机突变。结果表明，HbS突变不是随机产生的，而是优先起源于基因和具有适应性意义的人群中，”说利夫纳特教授。与其他关于突变起源的发现不同，这种对特定环境压力的突变特异性反应无法用传统理论来解释。“我们假设进化受到两种信息来源的影响：自然选择的外部信息，以及通过世代在基因组中积累并影响突变起源的内部信息，”Livnat说。
自从达尔文以来，我们就知道生命是由进化产生的。但是，究竟进化——在其所有的宏伟、神秘和复杂性中——是如何发生的呢？在过去的一个世纪里，科学家们一直认为基因组的突变是偶然发生的，而自然选择，或适者生存，有利于有益的意外。几千年来，这些假定的遗传意外在自然选择下的积累反过来又导致适应，从鹰的敏锐眼睛到人类心血管系统。
虽然在科学界被广泛接受，但这种观点总是留下一些悬而未决的基本问题，例如复杂性问题。小的随机变化的连续积累，每一个都对自己有益，能否在可用的时间跨度内导致我们在自然界中看到的如此复杂而令人印象深刻的适应性进化，例如眼睛、大脑或翅膀，互补部分交织在一起成一个复杂的整体？然而，到目前为止，在基本层面上唯一的替代方案是拉马克主义的变体——有机体可以通过有益的基因改变以某种方式直接对其直接环境做出反应。由于拉马克主义没有普遍奏效，随机突变的概念仍然是主流观点。
为了区分随机突变和自然选择解释以及非随机突变很重要的可能性，Livnat教授和他的实验室经理DanielMelamed博士开发了一种检测从头突变的新方法——突变是“由后代中的“蓝色”，而不是从父母任何一方继承。在打破新的准确度记录时，他们的方法实现了以前不可能的事情——计算基因组中特定兴趣点的从头突变。
然后，他们应用他们的方法来检查人类血红蛋白S(HbS)突变的从头出现，这可能是生物学和进化中最著名的点突变。HbS为只有一份拷贝的人提供预防疟疾的保护，但在拷贝一份的人中会导致镰状细胞性贫血。疟疾本身是一种媒介传播的血液疾病，可以说是过去10,年来作用于人类的最强大的选择压力，最近在非洲每年经常造成超过万人死亡。HbS也被用作进化中随机突变和自然选择的核心例子：长期以来，人们一直认为它是在撒哈拉以南非洲的个体中偶然出现的，然后通过自然选择在非洲内部传播，直到其疟疾保护益处得到平衡其镰状细胞性贫血的成本。
通过检查HbS的从头起源，Livnat首次能够弄清疟疾保护性突变是随机出现并在非洲传播仅仅是因为选择压力，还是它实际上是否可以更频繁地从头开始撒哈拉非洲人——这个群体多年来一直承受着巨大的疟疾选择压力。如果突变是随机的，那么它在两个地理组中出现的可能性应该相同。然而，如果突变是非随机的，那么它实际上可能会更频繁地出现在非洲人身上。
“以前没有问过这样的问题至少有两个可能的原因，”Livnat教授解释说。“首先，假设突变是随机的。其次，即使有人想问这样的问题，以前的方法也不可能。”
与广泛接受的预期相反，结果支持非随机模式。HbS突变从头开始不仅比随机突变的预期快得多，而且在人群中（在撒哈拉以南非洲人中而不是欧洲人中）和在基因中（在β-珠蛋白中而不是对照三角洲中）也快得多-珠蛋白基因）具有适应性意义。这些结果颠覆了传统的随机突变和自然选择的例子，将其变成了一个非随机但非拉马克突变的例子。
“突变违背了传统思维。结果表明，通过几代人在基因组中积累的复杂信息会影响突变，因此突变特异性起源率可以长期响应特定的环境压力，”Livnat教授说。以前的研究，由拉马克主义推动，只测试了对环境压力的即时突变反应。“突变毕竟可能在进化中非随机产生，但不是以以前设想的方式产生。我们必须研究内部信息及其如何影响突变，因为它为进化打开了大门，这是一个比以前设想的更大的过程，”Livnat总结道.
到目前为止，研究人员一直受限于将突变率测量为基因组中许多位置的平均值的技术。克服这一障碍，Livnat和Melamed开发的新方法使HbS突变成为第一个测量其突变特异性起源率的方法，为突变起源研究开辟了新的前景。这些研究不仅有可能影响我们对进化的基本理解，也有可能影响我们对突变引起的疾病的理解，即遗传病和癌症。
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