念書筆記

Ref: The mutation rate as an evolving trait

ref: The mutation rate as an evolving trait | Nature Reviews Genetics

本文摘錄自過去研究 Sturtevant, A. H. Essays on evolution. I. On the effects of selection on mutation rate. Q. Rev. Biol. 12, 467–477 (1937) https://doi.org/10.1086%2F394543

突變率 (Mutation rate) 是所有的遺傳變異的來源，也同樣是降低fitness的來源之一 (因為deleterious effect)。透過現今的定序技術，我們終於能測量存在germ line cell的de novo mutation，以及這些突變是否能傳到下一代。另外也能測量細胞分裂 (mitosis) 時產生的somatic mutation 。過去一直認為突變率在不同生物之間，甚至同種生物但不同族群裡，突變率是不同的。雖有一些假設，但是否能透過突變率影響演化，目前仍充滿爭論。

其實80年起前，在DNA發現之前就已有學者Alfred H. Sturtevant提出看法。他發現絕大多數的突變都是致命的，但即便如此，這些突變依舊存在。他認為應該存在某些機制能避免失去突變率。目前學界發現主要問題應該在DNA damage、replication error、DNA repair路徑上存在某些突變。而且即使在正常生長情況下，這些突變也會產生。

透過比較果蠅Drosophila melanogaster與 Drosophila funebris族群比較，Sturtevant認為突變率是演化的參數，而這一切背後都是nature selection造成的。他假設影響突變率的基因都受到nature selection影響，因此會有選擇降低突變率以避免不利的突變，也會有選擇提高突變率讓好的突變有機會出現。也因為有這種權衡取捨，所以突變率本身也應該隨著時間而演化。

此外，Sturtevant也認為突變率會受外在環境影響。雖然尚無證據，但他認為當族群適應某種奇異的環境時，突變率也會受到改變。這論點也啟發了後續experimental evolution的研究路線，大家開始探討環境對突變率或突變頻譜 (mutation spectrum)是否有影響。

截至目前為止，non-zero mutation rate仍然是演化學與基因體學的重點研究項目。尤其在這定序費用日益降低的年代，我們可以直接在germ line或soma line測量突變率，甚至測量譜系 (pedigree)裏面的遺傳變異，或是測量不同器官的突變率。透過比較這些資料，我們將有機會揭開生物史與各別生物突變率的複雜交互作用，並了解是否存在不同的篩選壓力造成mutation rate受影響，進而造成不同物種帶有不同的突變率。

我太喜歡這段結論了，所以引述一下

“These data will be invaluable for untangling the complex interaction between life history traits and individual mutation rates, and for discerning the different selective forces to which mutation rates are subjected, leading to the emergence of an optimal mutation rate in each species. Sturtevant’s views on the evolution of mutation rates are likely to continue to influence future efforts to understand what remains a fundamental question in biology.”

Take home message

The nature of the non-zero mutation rate has been a constant focus for both the evolutionary and genomic research fields

non-zero mutation rate仍然是演化學與基因體學的重點研究項目!!

Keywords

direct evolution, experimental evolution