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进化,性和TRACERx-癌症的“备用轮胎”如何帮助它生存

进化,性和TRACERx-癌症的“备用轮胎”如何帮助它生存

几乎所有的动物都有性行为。也就是说,来自精子和卵子的DNA被交换,以产生双亲基因混合的后代。

这在植物中也很常见,一种植物的花粉使另一种植物受精。甚至细菌也有一种原始形式的性行为,它们通过一个叫做菌毛的附属物将DNA从一个细胞传递到另一个细胞。

从进化的角度来看,这似乎适得其反。为什么每个人都想把自己一半的DNA遗传给后代,而不是无性繁殖呢?

但对许多物种来说,这种遗传物质的交换对生存至关重要,而且在整个进化过程中一直被选择。

考虑另一种选择,原因显而易见。

有些生物已经失去了交配的能力,比如自我繁殖的蛔虫,一种叫做亚马逊茉莉的鱼,还有某种变形虫。如果没有机会在不相关的个体之间重组DNA,基因错误就会累积。

这种现象被称为穆勒棘轮,已经在许多无性生物中观察到。任何被生物体发现的突变——棘轮的转动——都会传递给它的后代,而无法恢复到基因的原始版本。

当后代繁殖时,这些突变和在其一生中获得的其他突变一起被再次传递。随着每一代的产生,有害的突变不断增加,棘轮也越来越紧,直到该物种无法生存。

癌细胞是无性的

癌细胞分裂的速度很快——在分裂的过程中会产生大量的DNA错误——这很像一支由无性阿米巴组成的军队。我们的科学家正在研究TRACERx,这是一个耗资1400万英镑的项目,旨在了解肺癌的演变过程。他们用这个对比来解释在肿瘤细胞中观察到的一个神秘现象。

在显微镜下观察癌细胞,你不会看到在健康组织中发现的包装整齐的46条染色体。他们的DNA是混乱的,染色体部分交换、复制或全部丢失。

在一些癌细胞中,科学家们发现了更不寻常的现象,即全基因组加倍。

“当我们研究肿瘤,尤其是肺癌时,我们发现许多肿瘤在其进化史上的某个时间点上,它们的基因组翻了一番。伦敦大学学院TRACERx研究小组的联合负责人尼基·麦克格拉纳汉博士解释说:“几乎每条染色体都被复制了,所以DNA的数量比正常细胞多得多。”

到目前为止,造成这种情况的原因仍然是个谜。

癌症的备用轮胎

“我们认为,如果癌症的基因组加倍,可能会有生存优势。癌症的发展是一个进化的过程,所以达尔文的自然选择原理适用于此。”

该团队的理论是,拥有额外的遗传密码副本,本质上是一个基因备用轮胎,可以使癌细胞受益。如果基因组的一个拷贝发生了致命的突变,细胞可以继续存活和分裂,这要感谢它的第二个拷贝。

为了验证这一点,研究人员创建了一个计算机模型来重现癌症进化的条件,并确定在理论上,自然选择是否有利于整个基因组的倍增。事实证明确实如此。

McGranahan解释说:“我们的模拟实验发现,如果有害突变率足够高,进化将有利于基因组加倍。”

研究结果为他们的理论增加了分量,表明在适当的情况下,基因组的第二份拷贝可以抵消癌细胞分裂时积累的DNA错误的负面影响,从而使癌细胞受益。

但要真正检验这个理论,他们需要的不仅仅是模型。为此,研究小组求助于参与TRACERx研究的人的肺癌样本。几乎立刻就遇到了问题。

寻找弹孔

“研究癌症进化的棘手之处在于,当我们分析一个肿瘤时,我们看到的只是活的癌细胞。这与研究进化生物学形成了对比,我们可以研究化石记录,它提供了大量关于进化死胡同的信息,而这些死胡同并没有消失。”

“许多飞机返航时,机身上都有很多弹孔,但统计学家没有对这些受损区域进行额外的保护,而是认为引擎等未受损的部分需要加固。”引擎出了故障的飞机再也回不来了。”

研究小组采用了类似的方法——观察有多少基因弹孔或突变的癌细胞能够存活。

研究人员在《自然遗传学》杂志上发表了他们的研究成果,他们发现有证据表明,在癌细胞的基因组翻倍后,会出现更多的遗传“弹孔”。这为他们正在寻找的证据提供了证据,即整个基因组加倍确实使细胞能够承受更多的DNA错误,并且是自然选择所青睐的。

治疗的演变

利用进化生物学家的理论和方法,这项研究揭示了癌症的复杂发展过程。但这些发现不仅帮助我们了解这种疾病,它们还可能导致新的治疗方法。

机会是双重的,正如麦克格拉纳汉所解释的:“全基因组倍增是癌症逃避穆勒棘轮有害影响的一种方式。但这本身是我们之前没有真正探索过的,癌细胞的突变是否会对肿瘤有害。我们希望发现更多的这些弱点,这些弱点可以被新的抗癌药物所利用。”

“更重要的是,癌细胞的基因组常常翻倍,这是癌细胞和健康细胞之间的关键区别。”一种专门针对双基因组细胞的药物,在不伤害健康细胞的情况下,可能会为许多不同类型的癌症带来新的治疗方法。

癌症已经找到了一种对抗进化的方法,并克服了随着基因错误的积累而折磨无性阿米巴原虫的问题。但是在TRACERx团队的帮助下,我们希望这能成为它的败笔。

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