來自以色列和迦納的一組研究人員進行的一項新研究帶來了人類基因非隨機突變的第一個證據，透過顯示對環境壓力的長期定向突變反應，挑戰了進化理論核心的核心假設。由海法大學的 Adi Livnat 教授領導的研究人員使用一種新方法表明，在瘧疾流行的非洲人中，預防瘧疾的 HbS 突變的產生率高於歐洲人，不在的地方。
“一個多世紀以來，進化的主要理論一直基於隨機突變。結果表明，HbS 突變不是隨機產生的，而是優先起源於基因和具有適應性意義的人群中，”說利夫納特教授。與其他關於突變起源的發現不同，這種對特定環境壓力的突變特異性反應無法用傳統理論來解釋。“我們假設進化受到兩種資訊來源的影響：自然選擇的外部資訊，以及透過世代在基因組中積累並影響突變起源的內部資訊，”Livnat 說。
自從達爾文以來，我們就知道生命是由進化產生的。但是，究竟進化——在其所有的宏偉、神秘和複雜性中——是如何發生的呢？在過去的一個世紀裡，科學家們一直認為基因組的突變是偶然發生的，而自然選擇，或適者生存，有利於有益的意外。幾千年來，這些假定的遺傳意外在自然選擇下的積累反過來又導致適應，從鷹的敏銳眼睛到人類心血管系統。
雖然在科學界被廣泛接受，但這種觀點總是留下一些懸而未決的基本問題，例如複雜性問題。小的隨機變化的連續積累，每一個都對自己有益，能否在可用的時間跨度內導致我們在自然界中看到的如此複雜而令人印象深刻的適應性進化，例如眼睛、大腦或翅膀，互補部分交織在一起成一個複雜的整體？然而，到目前為止，在基本層面上唯一的替代方案是拉馬克主義的變體——有機體可以透過有益的基因改變以某種方式直接對其直接環境做出反應。由於拉馬克主義沒有普遍奏效，隨機突變的概念仍然是主流觀點。
為了區分隨機突變和自然選擇解釋以及非隨機突變很重要的可能性，Livnat 教授和他的實驗室經理 Daniel Melamed 博士開發了一種檢測從頭突變的新方法——突變是“由後代中的“藍色”，而不是從父母任何一方繼承。在打破新的準確度記錄時，他們的方法實現了以前不可能的事情——計算基因組中特定興趣點的從頭突變。
然後，他們應用他們的方法來檢查人類血紅蛋白 S (HbS) 突變的從頭出現，這可能是生物學和進化中最著名的點突變。HbS 為只有一份複製的人提供預防瘧疾的保護，但在複製一份的人中會導致鐮狀細胞性貧血。瘧疾本身是一種媒介傳播的血液疾病，可以說是過去 10,000 年來作用於人類的最強大的選擇壓力，最近在非洲每年經常造成超過 100 萬人死亡。HbS 也被用作進化中隨機突變和自然選擇的核心例子：長期以來，人們一直認為它是在撒哈拉以南非洲的個體中偶然出現的，然後透過自然選擇在非洲內部傳播，直到其瘧疾保護益處得到平衡其鐮狀細胞性貧血的成本。
透過檢查 HbS 的從頭起源，Livnat 首次能夠弄清瘧疾保護性突變是隨機出現並在非洲傳播僅僅是因為選擇壓力，還是它實際上是否可以更頻繁地從頭開始撒哈拉非洲人——這個群體多年來一直承受著巨大的瘧疾選擇壓力。如果突變是隨機的，那麼它在兩個地理組中出現的可能性應該相同。然而，如果突變是非隨機的，那麼它實際上可能會更頻繁地出現在非洲人身上。
“以前沒有問過這樣的問題至少有兩個可能的原因，”Livnat 教授解釋說。“首先，假設突變是隨機的。其次，即使有人想問這樣的問題，以前的方法也不可能。”
與廣泛接受的預期相反，結果支援非隨機模式。HbS 突變從頭開始不僅比隨機突變的預期快得多，而且在人群中（在撒哈拉以南非洲人中而不是歐洲人中）和在基因中（在β-珠蛋白中而不是對照三角洲中）也快得多-珠蛋白基因）具有適應性意義。這些結果顛覆了傳統的隨機突變和自然選擇的例子，將其變成了一個非隨機但非拉馬克突變的例子。
“突變違背了傳統思維。結果表明，通過幾代人在基因組中積累的複雜資訊會影響突變，因此突變特異性起源率可以長期響應特定的環境壓力，”Livnat 教授說。以前的研究，由拉馬克主義推動，只測試了對環境壓力的即時突變反應。“突變畢竟可能在進化中非隨機產生，但不是以以前設想的方式產生。我們必須研究內部資訊及其如何影響突變，因為它為進化打開了大門，這是一個比以前設想的更大的過程，”Livnat 總結道.
到目前為止，研究人員一直受限於將突變率測量為基因組中許多位置的平均值的技術。克服這一障礙，Livnat 和 Melamed 開發的新方法使 HbS 突變成為第一個測量其突變特異性起源率的方法，為突變起源研究開闢了新的前景。這些研究不僅有可能影響我們對進化的基本理解，也有可能影響我們對突變引起的疾病的理解，即遺傳病和癌症。
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