尽管有害突变，超基因如何促进进化

这幅由亨利·沃尔特·贝茨（上）于 1862 年出版的彩板插图展示了四对蝴蝶和模仿它们的物种。在每一对相似的配对中，模仿者显示在顶部，而原件显示在其下方。一个非模拟物种出现在中心。

（上）惠康系列；自然历史博物馆/Alamy Stock Photo

今天我们知道，在许多物种中，答案是超基因——将几个基因锁在一起形成一个可遗传单位的 DNA 片段。 “它们有点像一张外卡，”挪威阿格德大学的分子生态学家Marte Sodeland说。这种聚合形式的继承“具有明显的优势，因为它允许快速适应，但还有很多我们不知道的地方。”

超基因曾经似乎是一种进化上的怪事，但基因测序的兴起表明它们比研究人员认为的要普遍得多。并非所有的超基因都具有某种功能，但就在过去几年的研究表明，许多动植物物种的性状可能是由这些功能类似于单个基因的基因组驱动的。表生基因帮助野生向日葵适应各种环境，例如沙丘、沿海平原和障壁岛。在其他植物家族中，它们的性器官和生育力产生微妙但重要的变化，有助于防止近亲繁殖。去年春天发表的研究表明，在某些火蚁物种中，表基因决定了哪种类型的社会组织占主导地位——一个蚁群是否有一个或多个繁殖蚁后，或者它是否产生更多的雄性或雌性。 （人类的特定超基因尚未得到证实，但可能的候选基因已被发现。）

表观基因似乎也解释了许多长期存在的进化之谜，例如物种有时如何迅速适应新环境，种群有时如何即使生活在一起也能向不同方向进化，以及为什么某些物种具有“平衡的致死系统” ”的繁殖，因此它们必须拥有两个不同版本的染色体才能生存。

但超基因并不是万能的。最近关于超基因进化的工作正在描绘它们的影响的细微差别。这些理论模型和对真实人群的研究表明，超基因通常比其他 DNA 片段更快地积累有害突变，这会逐渐导致退化效应，破坏原有的好处。

分离基因洗衣店

超基因的定义是相当技术性的，尽管这个概念自 1930 年代就已经存在，但科学家们仍在争论它的细节。但在最简单的层面上，爱丁堡大学的进化生物学家西蒙·马丁说，超基因是一组作为一个单元一起遗传的基因，通常与许多其他非编码 DNA 一起遗传。

“你可以继续产生具有多个基因的两个不同特征，而不必担心它们会变得混乱，”马丁说。

这种混杂经常发生在卵细胞和精子的产生过程中。在这个过程中，染色体的母本和父本拷贝排列在一起，并在称为重组的芭蕾舞剧中随机交换 DNA 片段。重组对冲大自然对基因不同排列价值的赌注。它提高了遗传多样性并有助于清除有害突变。

在遥远的过去，产生超基因的相同机制导致哺乳动物的 Y 染色体（右）与其 X 染色体伴侣（左）在基因上分离。 Y染色体随后收缩并丢失了大部分基因。

超基因的超能力在于它们阻止了这一点。通常，超基因包含 DNA 缺失、插入或倒位（被剪切并向后剪接的序列）。因此，染色体 DNA 的这些部分不会与伴侣对齐，并且重组的可能性要小得多。

在 1970 年代，研究人员表明，同样的机制——染色体的错位阻止了染色体片段的重组，然后继续丢失基因——导致哺乳动物的 Y 性染色体从 X 染色体进化。性染色体本质上是失控的超基因。性染色体研究的先驱之一、最近从爱丁堡大学退休的进化遗传学家Deborah Charlesworth说，超基因和性染色体都存在，因为有时将一些基因集一起遗传是有好处的。在这些情况下，“最好不要进行任何重组，而是让原本进展顺利的事情永远粘在一起，”她说。

瑞典哥德堡大学的进化生物学家Emma Berdan说，要了解为什么这可能是有利的，不妨想想洗衣服。假设你有一篮白毛巾和一篮红毛巾。重组相当于将两个负载扔到同一个滚筒中，翻转热水，然后按下启动。结果是一堆粉红色的毛巾。但伯丹说，进化上的粉红色毛巾等价物通常不是问题：混合特征可能是有益的。

不过，有时，将其基因衣物分开，对生命有益。对于贝茨的Heliconius蝴蝶模仿物来说，混合来自不同基因的颜色飞溅可能是灾难性的。如果蝴蝶看起来足够像Heliconius来愚弄捕食者，它们只会获得模仿的回报。

美林谢尔曼/广达杂志

这就是为什么许多研究人员一直在探索超基因是如何产生的，以及随着超基因继续进化对物种的影响。斯德哥尔摩大学研究植物超基因的进化遗传学家Tanja Slotte说，了解超基因的起源是“最具挑战性的问题之一”。 “而且它甚至不是总是可能的。”

在最近的一项努力中，东北大学的进化海洋生物学家凯蒂·洛特霍斯（ Katie Lotterhos ）建立了一个计算机模型来研究从反转到超基因的路径上所采取的第一个初步步骤。她的模型于 8 月作为超基因特刊的一部分发表在英国皇家学会 B 的哲学汇刊上，表明最初的 DNA 触发器越大，超基因进化的可能性就越大。原因很简单：更大的倒置 DNA 片段更有可能捕获多个基因并将它们锁定为一个整体。反转中出现的任何有益突变都可以促进其作为超基因传播。

但洛特霍斯模型更重要的见解是，倒置本身并不一定提供进化优势。如果一套基因已经很好地适应了它的环境，将它锁定在倒置状态不会突然让它作为超基因起飞。这一事实可能有助于解释为什么复杂的重要特征通常不会作为超基因得到保护：普通的选择压力通常足以保留这些特征。

Lotterhos 意识到，适应是否先于倒置或反之亦然的问题可能永远无法回答。 “先发生什么，倒置还是适应？”她说。 “可能两者兼而有之。”

超基因的成本

超基因在适应性特征的遗传方面提供了强大的优势，但它们是有代价的。

回想一下 Berdan 的洗衣类比：一次洗涤红色和白色毛巾确实消除了两组床单之间的颜色差异。但是，如果您撕开或弄脏一条粉色毛巾，您可以使用一条相同的粉色毛巾作为备用。如果染色体的一个副本拾取破坏基因的有害突变，则有功能的备份副本可能位于匹配的染色体上以帮助生物体存活。而且由于重组确保突变独立于其他基因遗传，自然选择可以随着时间的推移清除突变。

然而，对于超基因来说，这不是真的。由于它们很少重组，它们获得的任何有害突变往往会留在原地。因此，超基因的好处可能伴随着明显的缺点。例如，莱顿生物研究所的 Berdan 和Benjamin Wielstra发现，在被称为凤头蝾螈的蝾螈中，由于一个超基因中累积的所有突变，它产下的一半卵子无法存活。它们的超基因似乎阻碍了它们的繁殖成功。

由于超基因，白喉麻雀有不同的变体（或形式）。这些是白色（顶部）和棕褐色变种的雄性。为了成功繁殖，一种变种的麻雀必须与另一种变种的鸟类交配。

（上）吉姆·哈金斯/USFWS；肯尼斯·科尔·施耐德

超基因也可以使交配过程复杂化。在某些物种中，超基因创造了一个实际上有四种性别的繁殖系统。例如，由于北美鸟类中的一种称为白喉麻雀的超基因，有两种颜色和行为不同的“变种”。雄性不仅必须找到雌性，而且还必须从相反的变体中找到伴侣。否则，后代要么死于父母双方的超基因，要么死于不继承任何基因。只有接受一个超基因和一个普通染色体片段的“平衡致死”遗传的小鸡才能存活。

伯丹说，以如此高昂的价格，超基因的进化真是一个奇迹。 “任何一组变体都将很难维护，尤其是在数百万代之后，”她说。 “这是超基因的一大谜团。”她建议多种类型的选择可能共同作用以保护超基因，并且某些环境可能最有利于它们在种群中的持久性。

具有讽刺意味的是，有时可以保存超基因的机制之一似乎是重组——它们通常会抵抗这种现象。罗切斯特大学的进化遗传学家Amanda Larracuente和她的合著者去年四月在eLife中描述了这样一个案例。

Larracuente 最初对超基因或其进化成本并不感兴趣。她的重点是自私的基因，即在人群中增殖而不造福宿主的 DNA 片段。她对赞比亚某些果蝇中出现的一种叫做分离扭曲因子( SD ) 的自私基因很着迷，这种基因会扭曲它们后代的性别比例。 “它是一种精子杀手，”她解释说，但它只杀死不携带SD染色体的精子。

在过去 3000 年的某个时候，一个版本的SD捕获了一大块染色体 DNA，产生了一种称为SD-Mal的超基因，这种超基因传播到整个非洲的果蝇种群。 “这真的是终极的自私基因，”拉拉昆特说。

Larracuente、 Daven Presgraves及其同事的 DNA 测序和分析表明，具有SD-Mal的染色体会积累有害突变，正如SD-Mal与其姐妹染色体之间几乎完全缺乏重组所预测的那样。但研究人员并没有发现他们预期的那么多突变。

他们发现，原因是偶尔一只苍蝇会遗传两条带有SD-Mal 的染色体——而这两个超基因非常相似，足以允许它们之间进行一些重组。这种重组反过来使一些有害突变有可能随着时间的推移从果蝇的超基因中清除。

“事实证明，只要一点点重组就足够了，”拉拉昆特说。她和 Presgraves 现在正在野生果蝇种群中寻找其他SD超基因，以寻找更普遍的超基因进化和影响的线索。

他们的结果表明，重组对基因组的净化作用从未停止重要。超基因的稳定、可预测的遗传使复杂的特征成为可能，这对于帮助物种适应可能是无价的，但即使是超基因也可以偶尔从混合事物中受益。