技术方法:如何计算进化生物学的突变率

【字体: 时间:2018年07月10日 来源:生物通

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  四种研究突变率的方法,这是进化研究中的关键统计方法。

  

生物通报道:变异是进化的原料,这对于了解进化生物学的速度至关重要。

突变率有多种计算用途,比如,进化生物学家可以基于物种的突变率,预测一个物种首次分化为两个物种时的“分子钟”。科学家们还利用这些速率来追踪流感等病毒的演变速度。癌症生物学家也可以利用突变率估计肿瘤细胞基因组随时间变化的速度。

“这是每一个进化模型中必须输入的参数,”新加坡基因组研究所的博士后Yuan Zhu说。

科学家之前是根据表型变化来推断突变,例如耐药性的出现。现在,由于越来越多成本低,速度快的DNA测序出现,已经有了更复杂的方法来处理全基因组突变率。这些技术可以应用于任何物种。虽然迄今为止科学家们主要只是分析了微生物和病毒,但他们也聚焦于果蝇和拟南芥等实验室模型,甚至是人体。这些技术揭示了突变率如何在单个物种的基因组中变化,并且研究人员也精确定位了特别容易改变的区域。此外,还可以揭示DNA复制过程中不同酶(如聚合酶和修复酶)的错误率。

7月,The Scientist杂志的技术专栏就特别介绍了研究病毒,酵母和人类突变率的四种不同方法。

自然群体的突变

研究人员可以识别自然生物群体中的突变。西班牙综合系统生物学研究所的进化生物学家Rafael Sanjuán表示,“因为自然群体变异很多,所以很容易见证进化”。

特别是HIV,这种病毒以其天文数字的突变率而闻名,每个感染周期估计会出现3×10-5个突变(每个碱基)。不过这种速率是在实验室中观察到的,Sanjuán分析了野外的HIV突变率——在接受HIV治疗之前的11人捐赠的血液样本。由于病原体不断变异,一个未经治疗的人体内包含有非常多样化的病毒群体。

那么Sanjuán如何能找到某个特点的时间点上的速率?他的诀窍在于只寻找致命的突变。这些在病毒颗粒中发现的HIV基因组的错误拷贝,它们存在于血细胞中,但不能感染其它细胞或进一步复制,它们是进化的“死胡同”。这意味着任何致命突变都必须发生在死亡病毒之前的那一代。

Sanjuán及其同事认为任何可能插入过早终止密码子的无义突变都可能是致命事件。基于HIV序列,研究人员认为这可能发生在基因组中的732,350个点上。

通过他们的样本分析,他们观察到3,069个可能致命的突变。然后就简单了:3,069个实际致死突变除以732,350个可能的致死突变,得到每个细胞感染周期的每个碱基突变率为4.1×10-3个突变。(PLOS Biol,13:e1002251,2015)

据推测,非致死突变也以相似的速率发生。这相当于每次复制病毒基因组时,每250个碱基就会出现一个突变,远远大于体外速率,这是目前已知生物学中最高的。


未完待续……


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