我们的基因组如何控制多样性

两项研究工作确定了 DNA 重组机制,这些机制是种群多样性的基础,揭示了重组如何发生以及在遗传密码中的发生位置

最近的两项发现为人类种群多样性的来源提供了新的线索。在一项研究中,科学家们检查了 DNA 重组的模式,重组是指一个人基因组被整合为一组染色体并传递给后代的过程。在另一项研究中,确定了特定基因的变异与 DNA 重组发生程度之间的联系。

在人类的睾丸和卵巢中,分别产生精子细胞和卵细胞,从父母那里继承的染色体片段被混杂在一起,形成一个遗传物质的拼贴,传递给后代。这个创造出新的、独特的染色体组(大约一半的物质来自父母双方)的过程称为 DNA 重组,是种群变异的来源。

“重组会影响种群多样性,”芝加哥大学人类遗传学博士后研究员、一篇详细描述基因在个体间混杂模式变化的论文的合著者乔治·库普说。“重组是你产生新的单倍型、新的突变组合的方式。”(单倍型是单个染色体上不同基因版本的组合,作为一个整体遗传。)


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库普和他在《科学》杂志上的同事公布了一项高分辨率研究的结果,该研究旨在绘制重组发生的地点——即一个父母的基因被换成另一个父母的基因的地方。该团队利用 725 名胡特尔派教徒(19 世纪中叶定居在达科他州和蒙大拿州的公社农民)的人群,扫描了基因组中的 500,000 个单核苷酸多态性 (SNP)。SNP 标记了遗传变异的点,用于估计 DNA 混杂发生的位置。研究人员可以通过比较孩子和其四个祖父母的变异,判断孩子遗传密码的哪个部分来自哪个祖父母。

研究人员在对 364 个后代的分析中记录了近 25,000 次重组事件。排除性染色体,该团队发现卵子通常在其每条染色体上显示 40 个重组实例,而精子中的染色体通常有 26 个重组事件。芝加哥大学的研究小组还注意到,随着女性年龄的增长,在减数分裂(产生卵细胞的细胞过程)期间会发生更多的重组。在男性中,没有年龄效应。

此外,他们注意到此类事件倾向于集中在所谓的“热点”上,即经常发生这种交叉的地点。一些被证明是性别特异性的,女性比男性更频繁地利用某些重组区域(反之亦然)。这些频繁重组区域的使用在个体之间有所不同,但似乎在家族之间是保守的,这表明重组的程度和模式可能是遗传的。

有趣的是,冰岛生物科技公司 deCODE genetics 的一项发现,也发表在《科学》杂志上,阐明了最后一个观察结果。通过对 20,000 人中的 300,000 个 SNP 进行全基因组分析,deCODE 的科学家们能够找到 4 号染色体上一个基因的两个位置,并将这两个位置的变异与重组率联系起来。

deCODE 的首席执行官卡里·斯蒂芬森说:“关于 SNP 有趣的是,这些变异对两性的影响相反。”根据这项新研究,基因上的一个位置,称为 RNF212,与男性高重组率有关,但与女性低重组率有关;对于另一个标记,性别效应是相反的。

斯蒂芬森在谈到性别范式时解释说:“如果你要设计一种机制来将速率控制在[某些]限制范围内,你就会这样做。对于一代人来说,它会导致更高的重组率;对于下一代人来说,它会导致更低的重组率。”

该研究称,总体而言,这两个位置可以解释男性 22% 的重组率变异和女性 6.5% 的重组率变异。

尽管对 RNF212 知之甚少,但在线虫(秀丽隐杆线虫)中发现了一个类似的基因。斯蒂芬森解释说:“我们对人类的了解并不多……[但]在 C. elegans 中有一个直向同源基因,似乎在那里发挥着重组机制的作用。”

芝加哥大学的库普赞扬了 deCODE 的努力,并指出这是首次绘制出影响哺乳动物重组的基因。“我想象我们在个体中看到的变异部分是由这些 SNP 引起的,”他说。“我认为这代表了确定人类重组事件的重大进步。”

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