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Nature重要成果:随机突变是这样来的

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最近Nature杂志上发表的研究指出,量子悸动的出现频率与DNA复制错误的频率差不多,它们可能就是随机突变的基础。
生物通报道:DNA复制机器能够以极快的速度和惊人的准确性将正确的碱基(G-C 、A-T)配对形成DNA双螺旋。它们能够识别正确的碱基搭配,丢弃错误的组合。不过,这些机器每复制10,000 -100,000 bp就会犯个错误,这个错误如果不校正就会成为基因组突变。
研究者们几十年来一直想知道,这些貌似随机的错误是如何产生的。一些人认为,DNA碱基会在一瞬间改变形态,让复制机器把错误的碱基对掺入DNA。但此前还没人捕捉到这种微小的形态转变。
日前,Duke大学的研究人员观察到了这种极微小的碱基改变。在短短一瞬间,发生改变的碱基看起来像是另一个碱基。这种“量子悸动”(quantum jitter)现象极为罕见,存在的时间也极短,但却会产生深远的影响。
这项发表在Nature杂志上的研究指出,量子悸动的出现频率与DNA复制错误的频率差不多,它们可能就是随机突变的基础。
“DNA结构本身就允许错误发生,”Duke大学的Hashim M. Al-Hashimi教授说。“这些错误非常关键,没有它们生命就无法进化。但如果这样的错误太多,基因突变就会脱离控制,使我们无法生存。量子悸动将自发性突变的频率调节得恰到好处。”
沃森和克里克1953年发现DNA双螺旋之后,就曾预测碱基会改变形态并导致错配。近十年来人们获得了DNA中发生错配的图像,但还不清楚错配发生的具体机制以及决定错配出现频率的因素。(延伸阅读:Cell惊人发现:DNA复制方案因人而异)
研究人员使用一种NMR技术(NMR relaxation dispersion)来成像这些极为微小而且稍纵即逝的改变。Al-Hashimi实验室的研究生Isaac J. Kimsey设计了含有一个G-T错配的双链DNA,随后通过NMR技术检测G和T上的原子。
G和T一般是不能配对的,因为它们表面伸出的氢原子彼此冲突。沃森和克里克之前的理论是,氢原子可能被推开而形成错配。Kimsey通过NMR技术首次在DNA双链中获得了这种原子重排的直接证据。研究显示,RNA中也存在类似的现象。
这种微小的运动(量子悸动)耗费大量的能量,碱基要尝试差不多一万次才能成功一次。成功之后的新形态也只能维持很短的时间(50-200微秒),随后氢原子又会回到原来的位置。研究人员发现,这种罕见状态的出现频率与聚合酶的错误频率差不多。
随机突变是生命进化的基础也和癌症发展有关,这项研究阐明了随机突变的基础,“我们可以利用这一点设计药物,诱使癌细胞或病毒更快出现复制错误,使其突变脱离控制并最终死亡,”Kimsey说。


IP属地:北京1楼2017-07-11 16:07回复
    核苷酸碱基的“互变异构”——互变异构过程被认为与量子隧穿效应有关


    IP属地:北京2楼2017-07-11 16:12
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      人类和猩猩的xq21基因是同一个同位置同序列病毒片段,没一个碱基的差异,说明是同一个祖先 只有同个生殖细胞的融源病毒转入才会在后代的同序列出现,内源性逆转录病毒(ERV)构建的进化树,就是证据


      IP属地:北京3楼2017-07-17 11:12
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        一个所谓的博士牧师。叫冯秉诚 又叫里程,居然把碳酸氢铵化学式写成NH4CO3,旋光跟折射都分不清楚,幻想出离太阳最近的恒星是昴星,这种小学水平的博士


        IP属地:北京来自手机贴吧15楼2018-01-25 09:31
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          基因驱动系统是如何构建的呢?远比想象中简单,大家知道,ZFN锌指核酸酶系统、TALEN系统与CRISPR系统都使用相同的DNA编辑原则,即同源重组(HDR)或非同源末端连接(NHEJ)。
          基因驱动则主要依靠HDR同源重组实现侵略性的编辑功能,以下是常规的HR过程:Cas蛋白将靶点切开,DNA修复机制发挥作用,寻找同源区域,之后将同源区域复制到断裂链中。
          而基因驱动则将CRISPR的整个系统都包含在了两个同源区域之间:
          这样,经过HDR同源重组,会将完整的CRISPR系统都整合在基因组上,这是常规的CRISPR基因编辑系统不具备的功能,也是基因驱动的关键:


          IP属地:北京来自手机贴吧17楼2018-04-26 13:48
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            本来达尔文进化论不负责解释最初生命的起源问题。 但很多人很自信地告诉你, 这个答案是化学进化。
            米勒实验同学们都很熟了, 最近逛PBS-NOVA看到了一个很有教育意义的短片, 介绍09年的一篇自然文章:
            J.D. Sutherland组 合成RNA的组成单元, 核苷酸
            Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions;
            Nature 459, 239-242 (14 May 2009)
            简单来说(估计所有还记得中学生物的同学都知道), RNA是单链结构, 每个单元是核苷酸, 核苷酸是由一个碱基(AUCG), 一个核糖苷, 加一个磷酸基构成。Sutherland组合成了胞嘧啶(C)核苷酸分子。

            而正好又有半个碱基与“磷”的存在, 我们的C完成了!

            直接煮一锅粥的方法没有成功, 但是如果先把部分碱基和“糖”组装起来(通过一个很简单的脱水过程)
            这是脱水后的产物, 可以想象原始地球的某个小池塘里在干涸过程中把这些有机物蒸腾到了大气中, 又落到了另一个小池塘里

            而正好又有半个碱基与“磷”的存在, 我们的C完成了!

            好吧这是专业一点的示意图。

            很有趣的事, 一个简答的UV处理, C就变成了U(尿嘧啶)
            也就是说生命之书的两个字母, 已经被人类破解了。 只需要合适的环境中的化学反应, 就可以平空出现


            IP属地:北京22楼2018-09-25 11:35
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              Syncytin不是一个人类基因。它具有病毒基因的所有标志。Syncytin似乎对我们自己的生物学来说非常重要。最初,Syncytin允许病毒将宿主细胞融合在一起,以便它们可以从一个细胞传播到另一个细胞。现在它允许蛋白质从母亲进入婴儿。
              它并非人类独有。黑猩猩在其基因组中的同一个位点具有相同的病毒基因。大猩猩也是如此。猴子也是如此。此外,这个基因在一个物种到另一个物种之间是非常相似的。解释这种模式的最好方法是,普通动物的共同祖先感染了带有Syncytin的原始病毒,并且进行了自然选择,分别进化出了这种受到青睐的重要功能。
              后来,法国病毒学家Thierry Heidmann和他的同事 发现人类和其他灵长类动物中的合胞体的第二个版本,并称其为Syncytin 1和Syncytin 2.两种病毒蛋白似乎对我们的健康至关重要。在先兆子痫中,孕妇处于高血压的危险状态,Syncytin 1和Syncytin 2的水平都急剧下降。Syncytin 2还执行另一种病毒技巧来帮助人类的主人:它有助于遏制母亲的免疫系统,所以她不会像外来组织那样攻击她的宝宝。
              2005年,海德曼及其同事认识到,合胞体不仅仅是灵长类动物,在测量小鼠基因组时,他们发现了两种合胞体基因(称为A和B),它们也在胎盘的同一部分产生。这一发现使得科学家们一劳永逸地测试了Syncytin对哺乳动物的重要性。他们关闭小鼠胚胎中的syncytin A基因,发现他们在大约11天后死亡,因为它们不能形成合胞体滋养层。很明显,这种病毒对保护胎儿极其重要。
              然而,尽管他们的名字相同,但灵长类和小鼠的合胞体没有共同的历史。Syncytin 1和2来自与Syncytin A和B完全不同的病毒。在2009年,当Heidmann从兔子中完全不同的病毒发现了另一种syncytin基因时,Syncytin的故事变得更加复杂。虽然他们在几种不同种类的兔子中发现了这种额外的合胞体蛋白(称为Syncytin-Ory1),但它们无法在兔子相近的物种身上找到。所以帮助兔子胎盘的病毒必须在不到三千万年前的时间段感染兔子的祖先。
              现在海德曼发现了另一种潜伏在哺乳动物古代的病毒。这是一种关于狗和猫与熊猫和鬣狗以及属于哺乳动物树的食肉动物分支下的所有哺乳动物。在他们看过的每一个肉食动物中,他们发现了同样的Syncytin基因,他们命名为Syncytin-Car1。在每一个物种中,它是惊人的相似,表明它经历了强大的自然选择为数百万年的重要功能。但是,从最亲密的活物亲戚,绝种山羊,就失踪了。来自作者的图表显示了他们如何看待这种演变已经展开。在8500万年前的其他哺乳动物的食肉动物祖先分裂之后,他们感染了一种病毒,最终成为胎盘必不可少的病毒。
              现在正在显现的进化景象是非常惊人的。病毒已经降临在哺乳动物身上,至少有六次,他们已经在他们的主人身上发挥作用,开始执行相同的功能:建立胎盘。完整的故事必须等到科学家从病毒中搜索每个胎盘哺乳动物的合胞体。但同时有一些有趣的事情要考虑。科学家还没有研究的一些哺乳动物,如猪和马,它们并没有像我们这样的胎盘具有开放的细胞层。科学家已经通过寻找各种哺乳动物的生物学差异提出了各种各样的解释。但答案可能更简单:猪和马的祖先可能永远不会感染带有Syncytin基因的原始病毒。


              IP属地:北京27楼2019-04-01 09:07
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                11 月 1 日,维也纳量子科技中心的物理学家 Markus Arndt 团队首次证明了短杆菌肽的分子干扰,这是一种 15 个氨基酸长度的来自土壤的天然抗生素,其质量为 1882 个原子质量单位,即 3.13 × 1024千克。这个研究发表在预印本 arXiv 上。


                IP属地:北京31楼2019-11-21 09:31
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                  爱因斯坦的上帝观
                  1、上帝对于我来说只不过是人类软弱和胆怯的产物,圣经是一系列光辉事迹的集合,但仍然是极为天真幼稚的原始传说。不管多么狡猾精明的解释都没法让我改变这一看法。(来自于最近拍卖的手稿)
                  2、犹太教,在我看来和别的宗教一样,是孩童般的迷信的具体化身。而作为一个犹太人—我很高兴自己这一身份,并且深深赞同这一民族所具有的精神—我并不觉得犹太民族比其他人具有高人一等的特质。据我经验看来,我也不觉得犹太人比其他民族更优越,尽管他们因为缺乏权力而避免了腐败。我没有看到什么特性能够说明犹太人是上帝‘选定’的子民。(来自于最近拍卖的手稿)
                  3、你所读到的关于我笃信宗教的说法当然是一个谎言,一个被有系统地重复着的谎言。我不相信人格化的上帝,我也从来不否认而是清楚地表达了这一点。如果在我的内心有什么能被称之为宗教的话,那就是对我们的科学所能够揭示的、这个世界结构的没有止境的敬仰。 (爱因斯坦1954年3月24日给一位机工的回信)
                  4、我不相信个体的永生,我认为伦理纯粹只是人类自身的关怀,并没有超人的权威躲在后面。 (爱因斯坦1953年7月17日给一位浸礼会牧师的回信)
                  5、1929年4月24日,纽约犹太教堂牧师哥耳德斯坦从纽约发出一份海底电报到柏林,问爱因斯坦:“您信仰上帝吗?回电费已付。请至多用五十个字回答。”爱因斯坦在接到电报的当天,就发了回电:“我信仰斯宾诺莎的那个在存在事物的有秩序的和谐中显示出来的上帝,而不信仰那个同人类的命运和行为有牵累的上帝。”
                  6、这种信仰在我12岁那年就突然中止了。由于读了通俗的科学书籍,我很快就相信,《圣经》里的故事有许多不可能是真实的。其结果就是一种真正狂热的自由思想,并且交织着这样一种印象:国家是故意用谎言来欺骗年青人的;这是一种令人目瞪口呆的印象。这种经验引起我对所有权威的怀疑,对任何社会环境里都会存在的信念完全抱一种怀疑态度,这种态度再也没有离开过我,即使在后来,由于更好地搞清楚了因果关系,它已失去了原有的尖锐性时也是如此。(来自《自述》)
                  7、我很清楚,少年时代的宗教天堂就这样失去了,这是使我自己从‘仅仅作为个人’的桎梏中,从那种被愿望、希望和原始感情所支配的生活中解放出来的第一个尝试。在我们之外有一个巨大的世界,它离开我们人类而独立存在,它在我们面前就像一个伟大而永恒的谜,然而至少部分地是我们的观察和思维所能及的。对这个世界的凝视深思,就像得到解放一样吸引着我们,而且我不久就注意到,许多我所尊敬和钦佩的人,在专心从事这项事业中,找到了内心的自由和安宁。在向我们提供的一切可能范围内,从思想上掌握这个在个人以外的世界,总是作为一个最高目标而有意无意地浮现在我的心目中。有类似想法的古今人物,以及他们已经达到的真知灼见,都是我的不可失去的朋友。通向这个”天堂”的道路,并不像通向天堂的道路那样舒坦和诱人;但是,它已证明是可以信赖的,而且我从来也没有为选择了这条道路而后悔过。(来自《自述》)


                  IP属地:北京33楼2020-01-10 10:58
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