图1B，果蝇（D. melanogaster）同义位点上的强烈净化选择
中心法则 从生物物理学尺度理解遗传学的基本方面之一是，需要描述连接碱基对的原始序列信息（例如 AGCGGTCGCAAG....）与构成组织集合、实现生理过程并最终形成生物体的各种大分子之间的过程集合。这套现象最简洁地体现在了常被误解的分子生物学中心法则中。简而言之，DNA序列的信息被转录并翻译成蛋白质。当然，为了更准确和精确，必须始终加上对剪接等现象的注意事项。这些过程的复杂性已使分子遗传学成为一项庞大的事业，在很大程度上取代了经典的孟德尔遗传学。从进化角度看，一个关键的结构细节是，编码蛋白质的基本构件——氨基酸——通常由**多个**核苷酸三联体或密码子编码。例如，甘氨酸是“四重简并的”，GGA、GGG、GGC、GGU（在RNA中，尿嘧啶U取代DNA中的胸腺嘧啶T）都编码它。**请注意，这种变化固定在密码子的第三个位置。**改变第一个或第二个位置会改变最终的氨基酸产物，并可能干扰最终蛋白质的功能（甚至在某些情况下完全破坏转录）。这些是**同义**取代，因为它们不改变序列的功能含义，而**非同义**位置（可能会废除或改变功能）。在进化背景下，人们可能会认为这些同义取代是“沉默的”。因为自然选择作用于**表型**的可遗传变异，而同义取代假定不改变表型，所以通常认为这些碱基上的进化变化是选择性中性的。相反，非同义变化可能是有害的或有益的（前者比后者可能性大得多，因为破坏偶发的复杂性比创造新的偶发复杂性更容易）。因此，跨谱系的非同义碱基和同义碱基上的遗传变化之比一直是衡量基因上可能存在的选择的常用指标。至此，我已以最肤浅的方式勾勒出一系列命题，这些命题涵盖了DNA生化机制的具体物理领域，以及阐述等位基因频率在时间和空间上轨迹的抽象形式的进化遗传学模型。**但命题总是嵌入在公理之中，而这些公理并非总是字面上的真实。**例如，某些在氨基酸输出方面名义上等效的密码子，会因细胞tRNA的各种效率产生的偏好而受到青睐。某种程度上，这也属于自然选择，但它并不以生物体在生命历程某个阶段的适应度以直接的方式体现。然后，还有同义突变以显著方式改变调控途径的情况。等等。尽管存在所有这些偏离理想的情况，但绝大多数研究者接受，中性框架对同义突变的效用使得先前可以假定它们不受选择。PLoS GENETICS上的一篇新论文，《果蝇（D. melanogaster）同义位点上的强烈净化选择》，通过强调许多果蝇同义位点可能受到**强烈**净化选择的可能性，来挑战这一公理的稳健性。也就是说，一个假定的沉默转变产生了显著的功能差异，导致生物体适应度大幅下降，从而将突变等位基因从多态性库中清除。请注意这里关键的限定词“**强烈**”。突变偏好和调控差异等动力学意味着，许多人会承认即使是同义位点也存在微弱而温和的净化选择。而这些作者则提出了更为激进的观点。
图1C 老实说，这篇论文的文字相当晦涩难懂，尽管在学科广度上令人印象深刻，从统计遗传学到发育生物学。
**但核心结果可以归结为原始的**SNP**计数**
。特别是，他们比较了内含子，内含子与同义位点一样，假定为中性，因为它们不是生成蛋白质的最终RNA转录本的一部分，以此作为对照来检查他们的感兴趣位点。尽管差异微妙，但你可以在本帖顶部面板中观察到4D（四重简并）位点似乎存在某种偏离中性的情况。在上面的第二个面板中更清晰。**同义位点的遗传变异似乎比应有的要少。**这是净化选择的迹象，净化选择会持续清除群体中低频率的有害突变。但为什么这是强烈的选择呢？作者强调的问题是，以往研究的数据集不够密集和丰富，无法区分强烈和微弱的净化选择，因为在较粗的分析尺度上，效果会相当相似。相比之下，作者使用了100多条果蝇谱系，并组装了近100万个4D SNP。通过如此深入的群体采样，他们能够探测到微小的差异，因为强烈选择在清除极低频率的等位基因方面会更有效（考虑到在较小的样本中，低N变异很可能被遗漏）。这是一篇发表在PLoS GENETICS上的论文，任何人都可以免费阅读，因此我将节省大家关于如何纠正GC含量偏倚、可能的选择性扩张扭曲了相邻区域信号等细节。他们能够使用重采样技术来确认其推断的稳健性，尽管将数据分割成众多类别确实让我有些担忧。此外，还提到了使用“简约性”原则，这有点令人担忧，特别是考虑到作者甚至承认这可能会产生错误的结论。**但总的来说，这个大局结果相当令人印象深刻，即使细节部分有大量的复杂因素。**我还要提一下，他们探讨了密码子偏好可能在产生这种模式中所起的作用，而这似乎不太可能（特别是净化选择似乎对最佳和非最佳密码子都有影响）。而且，也发现了一些相当奇怪的结果，例如他们发现X染色体上的净化选择比常染色体更弱（这与我，以及我认为是他们的，预期相反）。论文的“后端”分析有所不同，它分析了感兴趣的基因组区域（4D位点）的功能和发育方面。例如，他们报告净化选择作用于跨果蝇物种保守的位点。这并不令人意外。但跨谱系在受谱系内净化选择作用的位点上，似乎也存在显著的取代和变化。这暗示了区分果蝇物种的突变具有获得功能。最后，还有关于基因表达的时间分布与其强保守的4D位点相关的广泛模式。由于我对发育生物学不太精通，我会将这部分留给其他人，尽管结果似乎很有启发性，对我来说却很晦涩。一篇论文无法推翻40年的分子进化研究。即使一些基本假设和验证中性理论的结果是错误的，这也不能否定中性作为零假设的效用。
**但如果将同义位点作为中性的基准，并且一直受到强烈的净化选择，那么这意味着我们对塑造果蝇进化遗传学历史的各种力量平衡的理解可能完全错误。**
我认为对“果蝇”的限定是必要的，因为根据我的记忆，早期报告的结果显示这种模式在该模型生物体中普遍存在，但可能并不适用于所有类群。作者们提出了他们结果普遍性的论点，他们可能是对的，但我认为对这类声明应该更谨慎。这告诉我们，**现代基因组学和数据规模的扩大不仅是在更精细的尺度上揭示自然，而且可能正在暴露长期以来隐藏在显而易见之处的结构和模式。****引文：** Lawrie DS, Messer PW, Hershberg R, Petrov DA (2013) Strong Purifying Selection at Synonymous Sites in D. melanogaster. PLoS Genet 9(5): e1003527. doi:10.1371/journal.pgen.1003527
