Mol Biol Evol:美国科学家发现“自私”的基因违逆演化规律
【图注】图示小鼠的品系为马来西亚沃Watkins Star Line B，简称WSB)。研究人员最早从该品系小鼠体内发现了自私基因——R2d2的存在。图片来源：Jennifer L. Torrance，Jackson实验室
2016年6月13日，国际分子生物学和进化领域的权威期刊《molecular Biology and Evolution》杂志上在线发表了北卡罗来纳大学教堂山分校研究员Fernando Pardo-Manuel de Villena的一篇研究论文，论文揭示了一个名为R2D2的基因可能会损害小鼠的生育能力，但是却可以通过特殊的手段在小鼠群体中传播开来。
在电影《星球大战》中，机器人R2D2是一名英勇的反叛者。而在动物世界里，“不法分子”R2D2仍干着老本行，成了彻头彻尾的“自私基因”。它的存在颠覆了传统的基因遗传定律和达尔文演化论。R2d2善于把自己伪装成有益的突变体而在家鼠群体中大肆扩散，实际上却在损害其生育能力。
这项新的研究表明，即便某些基因的存在是不利于生物的演化发展，但它们却能“瞒天过海”，照旧扩散到生物群体的后代中去。此前，研究人员们一直希望利用工程化的“基因驱动”技术来消除蚊媒传染病以及入侵物种。该发现或许能为此带来新的曙光。但是，这些自私基因的发现对于科研工作者们而言，也是一个警示，告诫着他们：劣势基因并非总会被淘汰，不能总将精力放在那些通过了自然选择考验、具有所谓演化优势的基因上。
美国罗切斯特大学的演化遗传学家Daven Presgraves指出：“倘若研究人员不够谨慎，他们可能就会被蒙蔽，认为自私的基因具有一定的演化优势。“他说，遗传特性看上去的确是相同的，但对于这种基因，所谓的“适者生存”很可能不过是一种虚假的繁荣罢了。
此前就职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校的遗传学家John Didion及其同事检测了来自欧洲、美国以及其他地区的野生小鼠的DNA样本，试图确定R2d2在物种群体中的普遍程度。此外，研究人员还在实验室培育出了实验小鼠品系，以弄清R2d2快速传播的秘密。他们发现，实验小鼠种群在繁育了13代后，体内R2d2的等位基因频率(R2d2基因在小鼠染色体中所占的百分比)由18%剧增到了62%。
而在另一个小鼠的培育品系中，R2D2在染色体中的比例，在第10代时，从50%增加到了85%，而在第15代后，达到稳定——它已经出现在了所有的后代中。这个速度，比Didion及其同事通过计算机模拟所预测的184代后所有后代会携带R2D2，快了太多。Didion现在任职于美国国家人类基因组研究所(位于马里兰州的贝塞斯达)。
对于生物体而言，有利于其生存的某个基因变种会随着时间的推移而大规模增加，并最终取代所有其他等位基因，该过程被称为“选择性清除”(selective sweep)。“选择性清除”成为了一个基因帮助机体适应环境的最好佐证。然而，美国犹他大学的Nitin Phadnis却指出，R2d2的研究结果表示，看似适应的结果，可能只是自私的基因在其中做了手脚罢了。
早在2015年，北卡罗莱纳大学教堂山分校的研究人员就发现，R2d2是个“自私的基因”，总想着让自己能优先地被遗传给后代。虽然与机器人同名，但实际上，R2d2是小鼠第2号染色体上的一个DNA片段，含有Cw22基因的多个拷贝。当Cw22基因的拷贝数达到7甚至更多之后，R2d2就变得“自私”起来了。在雌性小鼠体内，含有Cw22多拷贝的染色体会排挤不含该“自私“基因的其他染色体，从而更容易被分配到卵子中。这显然有悖于孟德尔提出的遗传定律，即“亲代细胞的染色体或基因应该被均分到子细胞中”。但是，自私是要付出代价的。比起不含自私性R2d2的卵子而言，一旦某个卵子拥有自私性R2d2的一个拷贝，就难逃体积减小的命运。一般而言，小体积的卵子不利于后代的生存。
从演化规律来讲，自然选择会淘汰生育能力较弱的R2d2。但实验事实表明，自私的DNA片段战胜了自然选择。
即便是最高明的骗术也难逃被拆穿的命运。Didion及其同事发现，自私基因会随着地域的不同而呈现多样式分布。以来自美国两处试验点及欧洲的野生型小鼠为例，R2d2在其中的分布比例就各不相同。R2d2最先是在马里兰品系的小鼠体内被发现的，其基因频率达21%。而在某德国品系小鼠中则为67%，在希腊品系中只有8%，在(美国)加尼福尼亚品系中甚至不存在。看来，这个自私基因的扩散还未能遍及全球。
基于实验结果，研究人员原本以为能在所有被测的野生型小鼠体内检测到这类“不靠谱”DNA的存在。但是，来自南加州大学(位于洛杉矶)的演化遗传学家Matthew Dean却谈道，有些品系的小鼠或许已经演化出了一套方法用以抑制基因的自私性，降低其在体内所占的比例。
原文链接：
R2d2 drives selfish sweeps in the house mouse
原文摘要：
A selective sweep is the result of strong positive selection driving newly occurring or standing genetic variants to fixation, and can dramatically alter the pattern and distribution of allelic diversity in a population. Population-level sequencing data have enabled discoveries of selective sweeps associated with genes involved in recent adaptations in many species. In contrast, much debate but little evidence addresses whether “selfish” genes are capable of fixation – thereby leaving signatures identical to classical selective sweeps – despite being neutral or deleterious to organismal fitness. We previously described R2d2, a large copy-number variant that causes non-random segregation of mouse Chromosome 2 in females due to meiotic drive. Here we show population-genetic data consistent with a selfish sweep driven by alleles of R2d2 with high copy number (R2d2HC) in natural populations. We replicate this finding in multiple closed breeding populations from six outbred backgrounds segregating for R2d2 alleles. We find that R2d2HC rapidly increases in frequency, and in most cases becomes fixed in significantly fewer generations than can be explained by genetic drift. R2d2HC is also associated with significantly reduced litter sizes in heterozygous mothers, making it a true selfish allele. Our data provide direct evidence of populations actively undergoing selfish sweeps, and demonstrate that meiotic drive can rapidly alter the genomic landscape in favor of mutations with neutral or even negative effects on overall Darwinian fitness. Further study will reveal the incidence of selfish sweeps, and will elucidate the relative contributions of selfish genes, adaptation and genetic drift to evolution.
作者：Fernando Pardo-Manue
