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上海交大林关宁课题组Nature Human Behaviour发文揭示多基因疾病未被自然选择剔除之因

由于我们的技术进步和文化创新,人类成为一个成功的物种。鉴于我们有能力改变生存环境以促进和减少体力劳动,最大限度地降低获取高热量食物的能量成本,或通过提高卫生设施条件和使用抗生素,并减少寄生虫和传染病的暴露。有研究人员声称遗传变异的作用赋予的健康优势几千年前开始对我们就已经无关紧要了,特别是现在。还有人觉得因为人类的文化严重扭曲了人类存在的自然选择,环境变化可能是加速了人类的进化,而不是没有影响。

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那现代人的进化是否还能被自然选择作用影响?多基因疾病为何没有被自然选择剔除?针对这些问题,近日,上海交通大学生物医学工程学院的林关宁课题组在Nature Human Behaviour发表了题为《A selection pressure landscape for 870 human polygenic traits》的研究工作,为之提供了初步的解答。

林关宁团队利用870个多基因性状的全基因组关联研究(GWAS)的数据,使用了多种计算模型对它们随时间的选择压力进行了全面分析,定量分析了这些表型在四个时间尺度(当代、最近三千年、新石器时代、现代智人形成以来)所受的自然选择压力的大小、形式及方向。

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跨时期分析设计

人类性状仍在经历自然选择

团队研究显示,大量的人类表型在近代都出现了显著的适应性变化,其中尤以体型、肤色、营养及代谢等表型为主。而控制大脑相关表型的位点在最近数千年则表现出较少的适应性变化,且往往分布在漫长进化史中较为保守的、受较强负性选择的的基因组区域内。当将各个时间点的结果综合起来,团队发现同一个表型受到的选择压力在不同时间具有一定的一致性;同一个表型在不同时间受到相反的选择压力是比较少见的。本研究还发现了数个似乎能影响人类生育能力和交配成功的人类表型,甚至还有一些不符合直观的自然选择现象下的表型,例如高智商的个体在当代倾向于有更少的后代进而导致对智商造成负向选择、有精神分裂症和注意缺陷与多动障碍等高风险男性但未患病者的性伴侣数量会增多、与饮酒相关的表型在酿酒技术尚不成熟的前新石器时代就已出现了适应性变化等。总的来讲,本研究证实了尽管人类社会环境不断发生变化,人类遗传表型仍然在持续地受到自然选择的塑造作用。

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新石器时代的自然选择压力图谱

疾病的负向选择持续受到削弱

林关宁团队进一步把112个多基因疾病从所有表型中分离出来,以分析其未被自然选择淘汰的原因。首先,与非疾病的表型相比,大部分遗传病的风险变异确实在逐渐被清除,只有少数疾病(如神经性厌食、炎症性肠病)在个别时间点被自然选择所青睐。这些疾病可能在特殊历史时间点为人类提供了生存优势,但在现代这些优势消失了,便成为了单纯的疾病负担,而成为积极选择事件的副产品。其次,绝大部分疾病的遗传风险并不会提升个体的交配或生育成功率,这一结果不支持此前研究者提出的“生殖优势假说”(即:携带疾病风险突变但未患病的个体可能会获取某种优势,进而生育更多后代,导致疾病风险突变在人群中扩散)。最后,大部分疾病的风险位点富集在碱基多样性低、重组率与连锁不平衡分数低、突变年龄较小的基因组区域,而这些区域都是负性选择作用强度较弱的区域。总的来讲,作者觉得最可能是解释为:除了少数例外,大部分的多基因遗传病确实正在被自然选择清除,但清除的速度被各种基因组的局部特征所拖累,导致这种清除并不彻底。

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不同性状在负向选择区域中的遗传度富集

同行评价  

在同期杂志上,来自西班牙国家基因组研究中心的Oscar Lao教授对本研究发表了新闻与观点(News and Views)的文章。Lao教授指出,这项研究结果非常重要,由于人类社会在短时间内出现了剧烈的变化,学界对于自然选择是否还能影响人类表型一直有较大的争论。本研究通过大规模多层次的分析为这一争论提供了新的有力证据:有相当数量的人类表型随着时间的推移出现了适应性变化,这说明人类社会的发展并不能使人类免于自然选择的作用。在这一假设背景下,作者推测当前人类自创的文化环境与我们祖先进化的环境之间的差异可能对某些特征造成了进化上的不匹配。在祖先的生存环境中能增强携带者适应性的遗传变异可能在我们现代已适应不良了——也就是说,由于环境变化,先前的适应性可能会降低其环境适应能力,甚至不适应了,例如在当今社会导致疾病,同时也可能正在进化中以满足当前环境的需求。

该论文通讯作者为上海交通大学生物医学工程学院林关宁副教授,第一作者为上海交通大学医学院附属精神卫生中心的博士研究生宋炜宸。该项研究得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海东方学者岗位计划及上海交通大学医工交叉等项目的资助。

论文链接https://www.nature.com/articles/s41562-021-01231-4


作者:宋炜宸,林关宁

供稿单位:生物医学工程学院


       

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