自然选择如何塑造遗传变异?

自然选择既能清除遗传变异,也能让变异保留下来,这取决于正在起作用的是哪一种选择。

直接答案

自然选择会从两个相反的方向塑造遗传变异。净化选择和正选择往往会减少变异:前者淘汰有害变异,后者把有利变异推向高频率。但选择也能维持变异,例如当一个物种分布区内各地条件不同,或者病毒与宿主不断相互适应时[4][5][2]。

5篇文献引用

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选择既能抹去变异,也能保住变异

选择改变变异最简单的方式,就是把变异清除掉。在挪威云杉中,研究者同时描述了净化选择和正选择:前者消除有害突变,后者偏向有利突变,两者都被视为能在全基因组范围内降低遗传多样性的力量[4]。同样的逻辑也出现在人类身上:ACE2基因是SARS-CoV-2病毒进入细胞所用的受体,在已发现的41个改变蛋白质的变异中,大多数在多数人群中都很罕见,这一模式与选择让可能具有破坏性的改变保持不常见相符[1]。

不过,选择并不总是抽干多样性。在果蝇中,睡眠模式随纬度呈现系统性差异,而这些差异背后的基因表达变化提示,自然选择正在主动维持昼夜节律行为的变异,而不是将其消除[5]。要点在于,方向取决于选择的类型以及它作用的环境,而不是说选择一律具有破坏性。

各地条件不同时,选择会在不同地方偏向不同变异

一个在某个群体中不利的变异,在另一个群体中可能有用,这能让一个基因的多个版本在整个物种分布区内同时存续。在果蝇睡眠研究中,睡眠行为随纬度变化,意味着不同环境偏向不同的遗传组合,这是选择保留而非抹去变异的一条途径[5]。

人类ACE2数据也显示出类似的地理格局。有三个改变蛋白质的变异特别常见于喀麦隆的中非狩猎采集者,频率约为8%至16%,并且位于带有正选择迹象的单倍型上[1]。另外,在影响ACE2产生多少的调控区域中,多个非洲人群都检测到了选择迹象[1]。同一个基因,取决于你看的地方,携带的变异模式可以非常不同。

宿主与病原体相互追逐,让变异持续存在

一些最清晰的案例涉及传染病,那里的选择压力不断更新。HPV16是致癌性高于其他类型的病毒,研究者在其基因组中识别出56个可能处于正选择之下、推动氨基酸改变的密码子,而这些密码子过多地落在宿主细胞毒性T细胞所识别的免疫表位上[2]。作者给出的解释是,一小部分病毒变异可能通过逃避免疫识别来提高持续存在的能力,这意味着宿主免疫系统正在持续对病毒变异施加选择[2]。

人类这一侧也表现出同样的来回拉锯。非洲人群中受到选择的ACE2变异与COVID-19患者常见的临床表型相关,作者提出此前的病毒感染可能塑造了这些变异[1]。这被作为一种可能性提出,而非已证实的因果,但它符合一种模式:病原体驱动对宿主基因的选择,并在遗传变异中留下可检测的痕迹。

选择留下的痕迹取决于性状和时间尺度

选择的印记不是单一的东西。在TMPRSS2——另一个与SARS-CoV-2相关的宿主基因——研究者发现13个氨基酸改变看起来具有适应性,并且与黑猩猩相比为人类谱系所特有,这是一种在漫长演化时间中固定下来的变化模式[1]。这与今天在某个群体中常见的变异(如喀麦隆的ACE2变异)属于不同类型的证据[1]。

HPV16的研究又加入了第三种:处于正选择之下的密码子还与病毒亚型发生分化的位点重叠,并且在E1蛋白中,宫颈癌前病变和癌症中的罕见变异多于良性感染或已清除的感染[2]。这些案例合在一起提示,选择对变异的影响可以同时在多个层面上被读出,从古老的固定变化,到持续存在的群体间差异,再到与疾病结局相关的变异频率。把它们联系起来的,是选择并非只有单一结果的单一力量;它是一个过滤器,其设置取决于生物体、环境以及所施加的压力。

本文引用的文献

1

自然选择对SARS-CoV-2感染相关基因全球遗传变异模式的影响及其与临床表型的关联

在SARS-CoV-2宿主基因中,一些ACE2变异在中非狩猎采集者中常见且受到正选择,多个非洲人群的ACE2调控区域出现选择迹象,另有13个TMPRSS2氨基酸改变看起来具有适应性且为人类所特有。

2

HPV16遗传变异提供了由HLA I类分子驱动的正自然选择的证据

HPV16基因组含有56个可能处于正选择之下的密码子,它们过多地落在免疫表位和分化谱系位点上,提示一些变异通过逃避HLA相关免疫识别来提高持续存在能力。

3

自然遗传变异驱动秀丽隐杆线虫肠道的微生物组选择

野生秀丽隐杆线虫品系之间的自然遗传变异驱动了不同肠道微生物组的组装,宿主胰岛素信号介导了对苍白杆菌属的富集。

4

人口历史与自然选择塑造了广泛分布的针叶树挪威云杉(Picea abies)的遗传变异

在挪威云杉中,净化选择和正选择都能通过减少变异来促成遗传多样性的丧失。

5

有证据表明自然选择维持了黑腹果蝇睡眠的遗传变异

果蝇睡眠行为随纬度的差异以及相关的基因表达变化提示,自然选择维持了昼夜节律行为的遗传变异。