构建DNA突变进化图谱
来自印第安那大学的生物学家和信息学家们构建出了有史以来最广泛的生物体DNA序列突变进程图谱，阐明了关于突变的分子特性和这些可遗传的改变发生的速度等重要的新进化信息。
通过分析无自然选择压力条件下经历超过20万代的模型原核生物大肠杆菌（Escherichia coli）中精确的基因组改变，由印第安那艺术与科学学院生物学系教授Patricia L. Foster领导的一个研究小组发现大肠杆菌DNA中的自发突变率比以前认为的实际上要低3倍。
这项新研究出现在美国《国家科学院院刊》（PNAS）的早期版本上，还指出负责检查新复制DNA及检测错误的错配修复蛋白不仅将突变率维持在了低水平，还维持了基因组中G-C内容物与A-T内容物的平衡。G-C和A-T是在相对的DNA链之间联结的含氮碱基形成了DNA双螺旋梯架的横轴。
Foster说：“我们知道即使是在缺乏自然选择的情况下，进化也将继续进行因为新突变会随机地固定在基因组中。因此，如果我们想确定特异的进化改变模式是否由选择所驱动。了解缺乏选择的情况下预期的模式绝对是有必要的。在这里我们定义了自发突变的速度和分子谱，将自然选择促进或消除突变的能力最小化，这使得我们能够捕获基本上所有不会导致细菌死亡的突变。”
在一项平行突变累积试验中利用一种错配修复缺陷菌株（其突变率提高了100多倍），研究人员分析了近2000个突变，发现存在强烈的偏向将A-T碱基对改变为G-C碱基对，与正常细菌中所见相反。
大肠杆菌染色体
Foster 指出：“在几乎所有生物体中自发碱基对置换的分子谱是由G-C到A-T改变所支配，这往往会推动基因组向着更高的A-T内容物改变。由于基因组的G-C内容物差别很大，必定存在一些选择压力，或是一些非适应性机制，可以驱动基因组往回提高G-C内容物。”
新研究的共同作者印第安那大学Bloomington信息和计算学院副教授Haixu Tang，信息学博士后研究人员Heewook Lee和生物学系博士后研究人员Ellen Popodi证实错配修复是发生和决定基因组碱基组成的突变类型中的一个重要因素。由于错配修复的活性可以受到环境的影响，这项工作的另一个意义在于突变模式可用于取证帮助确定特异的细菌株起源何处。
Foster 说：“通过建立通过选择的无偏倚自发突变改变的分子特性基线参数，我们可以开始获得更深入的了解决定突变率、突变谱、基因组碱基组成的因子，生物体之间可能的差异，以及通过环境条件它们可能如何共享的机制。由于突变是自然选择作用的变异的来源。了解突变发生速度和自发突变改变的分子特性将使我们更全面地了解进化。”
Rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in the bacterium Escherichia coli as determined by whole-genome sequencing
Patricia L. Foster
Knowledge of the rate and nature of spontaneous mutation is fundamental to understanding evolutionary and molecular processes. In this report, we analyze spontaneous mutations accumulated over thousands of generations by wild-type Escherichia coli and a derivative defective in mismatch repair (MMR), the primary pathway for correcting replication errors. The major conclusions are (i) the mutation rate of a wild-type E. coli strain is ∼1 × 10−3 per genome per generation; (ii) mutations in the wild-type strain have the expected mutational bias for G:C > A:T mutations, but the bias changes to A:T > G:C mutations in the absence of MMR; (iii) during replication, A:T > G:C transitions preferentially occur with A templating the lagging strand and T templating the leading strand, whereas G:C > A:T transitions preferentially occur with C templating the lagging strand and G templating the leading strand; (iv) there is a strong bias for transition mutations to occur at 5′ApC3′/3′TpG5′ sites (where bases 5′A and 3′T are mutated) and, to a lesser extent, at 5′GpC3′/3′CpG5′ sites (where bases 5′G and 3′C are mutated); (v) although the rate of small (≤4 nt) insertions and deletions is high at repeat sequences, these events occur at only 1/10th the genomic rate of base-pair substitutions. MMR activity is genetically regulated, and bacteria isolated from nature often lack MMR capacity, suggesting that modulation of MMR can be adaptive. Thus, comparing results from the wild-type and MMR-defective strains may lead to a deeper understanding of factors that determine mutation rates and spectra, how these factors may differ among organisms, and how they may be shaped by environmental conditions.
