Plant Com | “减少即是增加”——基因天然功能缺失突变也是一种适应策略

iPlants · 公众号 · · 2020-08-24 22:42

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基因的获得和丢失在生物进化过程中起着重要的作用。在过去的二十多年中，基因复制以及新基因产生对生物进化的重要意义被受关注。“减少即是增加（less is more）”假说提出，基因丢失也会对生物的生存及繁衍产生有利的影响。在自然群体中，基因的功能缺失变异（提前终止密码子、移码突变、剪切位点改变和起始密码子丢失）会导致基因功能失活，是天然突变体（图1）。

图1. 基因功能缺失变异的类型

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中国科学院植物研究所郭亚龙研究组在继2019年5月发表了植物里利用自然群体基因组开展功能缺失变异的研究论文“ Adaptation and phenotypic diversification in Arabidopsis through loss-of-function mutations in protein-coding genes ”之后，于2020年8月13日，在 Plant Communications 杂志上发表了“ Less is more, natural loss-of-function mutation is a strategy for adaptation ”的综述，对功能缺失变异的研究历史、进展、存在的问题及其对相关研究领域的影响进行了系统深入的总结和思考。

功能缺失变异在各个物种的自然群体中普遍存在。天然功能缺失变异为研究基因功能提供了天然的突变体库。而且，群体水平的功能缺失变异研究为必需基因（生物生存必需的基因）研究提供了研究体系。在群体水平，当某个基因在所有的个体中均没有发生基因功能缺失突变，则说明该基因很可能对于生物的生存繁衍十分重要，是必需基因，发生变异后会产生不利的后果，带有这种变异的个体随后会被自然选择清除掉。

在基因组中大部分的功能缺失突变是中性甚至有害的，然后也有一些缺失变异具有选择优势，对生物生存适应有利。特别是在群体扩张过程中，有些基因发生了功能缺失变异之后，可能会带来有利的影响，并促进个体适应新生境（图2）。

图2. 功能缺失变异促进物种适应性

尽管功能缺失变异在不同物种中已取得一系列进展，但仍然存在许多缺陷或问题。第一，基因功能缺失变异研究仍然是基于一个参考基因组的鉴定，会产生参考基因组偏好性（漏掉了参考基因组中发生功能缺失变异的基因），而利用多套参考基因组（泛基因组）可以为功能缺失变异的鉴定提供更加全面的信息。第二，在基因功能缺失变异发生之后，对相同代谢途径中其他基因的影响如何并不清楚。当一个基因发生变异并失活之后，与该基因所处的相同功能途径中其他基因也可能会随即失活，可能会导致生物进化的不可逆性；另一方面，当功能重要基因发生了功能缺失变异之后，在环境压力下，可能会发生回复突变，使基因恢复或者部分恢复原有功能。第三，有些必需基因发生功能缺失变异后，携带该突变体的个体仍能存活，其机制仍不清晰。第四，目前大多数功能缺失变异的研究聚焦于基因编码区，而忽略了基因调控区的变异也能导致基因失活，调控区的研究应得到重视。第五，功能缺失变异对于作物的遗传改良具有重要意义，但这方面的研究仍很不够。