遗传学大牛Science发现基因组新奥秘

　　

生物通报道：来自斯坦福大学，霍德华休斯医学院的一组研究人员发现，当基因组中相似的基因不断“弹出来”的时候，通常这些基因会丢失，但如果能被留下来（也就成为了多余基因），就会由于一个基因发生一次表达消减这一理论，而在哺乳动物中受到保护。

这一研究成果公布在5月20日的Science杂志上。文章的通讯作者是斯坦福大学Jonathan K. Pritchard教授，这位学者主要研究人类遗传学，他曾利用在人群中快速蔓延的遗传变异为导向进行追踪的统计模型，确定了基因组的数百个区域最近因自然选择发生变异。在发表的多篇顶级刊物文章中，Pritchard教授阐述了许多复杂的基因调控机制，他还曾入选过美国20位最聪明青年科学家。文章第一作者和另外一位通讯作者是华人博士兰讯（Xun Lan，音译）。

新基因的产生为生物体创造了遗传和表型多样性，往往是重要的生物学过程和结构中一些谱系特异性或物种特异性元件的遗传基础。但出现的基因也有可能是之前已经出现过了的，这种现象就叫基因冗余（gene redundancy）。

关于基因冗余，科学家们已经提出了几种不同的理论来解释，但这种现象的基本性质仍然存在争议。例如，基因重复可能是由于一个拷贝出现了新功能：新功能化（neofunctionalization，生物通译），或者两个拷贝进行了功能划分，分掉了祖先的功能：亚功能化（subfunctionalization）。还有理论——剂量平衡模型（dosage-balance models）认为，两个基因拷贝可以共存在基因组中，因为它们协同工作，确保基因表达处于正常水平，丢失一个拷贝就会打乱“剂量”。

为了深入了解基因冗余，Xun Lan 和Jonathan Pritchard分析了来自10位志愿者的46个人体组织类型（例如，脂肪和肺）中的RNA测序数据，这些数据来自大规模基因型-组织表达（Genotype-Tissue Expression， GTEx）项目。

结果发现在哺乳动物进化过程中，只有约15%的重复基因发生了亚功能化（共享任务），而且其中大部分成为长进化时间中的亚功能化。通过分析近期人体基因组中的基因重复，研究人员还发现当一个重复基因出现，两个拷贝都会减少其表达，而且这个发生的特别快。

这表明基因重复往往意味着拷贝共同发挥功能，调节基因表达水平，也就是剂量平衡模型。作者认为亚功能化并不经常发生，并且也需要更长的时间演化。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Coregulation of tandem duplicate genes slows evolution of subfunctionalization in mammals

Gene duplication is a fundamental process in genome evolution. However, most young duplicates are degraded by loss-of-function mutations, and the factors that allow some duplicate pairs to survive long-term remain controversial. One class of models to explain duplicate retention invokes sub- or neofunctionalization, whereas others focus on sharing of gene dosage. RNA-sequencing data from 46 human and 26 mouse tissues indicate that subfunctionalization of expression evolves slowly and is rare among duplicates that arose within the placental mammals, possibly because tandem duplicates are coregulated by shared genomic elements. Instead, consistent with the dosage-sharing hypothesis, most young duplicates are down-regulated to match expression levels of single-copy genes. Thus, dosage sharing of expression allows for the initial survival of mammalian duplicates, followed by slower functional adaptation enabling long-term preservation.