突變－當 DNA 複製出錯
假如沒有突變，生命將缺乏變化，不可能由簡單的單細胞結構，演化成如此複雜的人類。某些突變能帶來優勢，對生存有利，例如高海拔缺氧環境的適應力；然而，突變卻也會造成遺傳性疾病、讓人得到癌症。還有許多突變，既不有利，也不有害，就是個沒有存在感的遺傳變異（最適合作為追溯遺傳史的「祖源分析」材料）。
絕大部分生物以 DNA 為遺傳材料，假如 DNA 複製時產生錯誤（RNA 病毒亦同），製造出與本來不同的核苷酸，例如把 A 做錯成 G，而修復機制又沒能成功修理，那麼和原本不同的序列就會保留下來，成為基因組中新的變異。
了解突變發生的機率，也就是突變率（mutation rate）相當重要。知曉突變率能有很多用途，像是探討不同生物間的親緣關係，了解如茲卡病毒之類傳染病的傳播歷程；癌細胞更是以突變聞名，知道突變率，才能追蹤癌症的演化，評估治療方案。
在過去，想計算少數基因的突變率還能辦到，但是延伸到整個基因組並不容易。基因組很大，突變率就算再高，突變總數也一定是九牛一毛，佔整體的比例很低。不過隨著 DNA 定序技術突飛猛進，如今即使定序幾十個基因組，也不是太費力氣。科技進步使得遺傳學家，能夠深入探討有關突變率的問題。
今年三月底舉行的「Mutation Rate Evolution Meeting」，請到多位研究突變率的學者與會；Science 新聞特別報導了這場研討盛會。
延伸閱讀：《未來人類：人類將演化到哪裡去？》－認識演化法則，思考我們的將來遺傳多樣性愈大，突變率愈低
比較親代與子代基因組之間的差異，能夠得知突變率。歸功 DNA 定序技術的發達，遺傳學家算出約 40 種生物的突變率，而且取樣全面，包括單細胞的原核生物、單細胞真核生物，以及各式多細胞生物，特別是人類的猿猴近親們。
不同生物的突變率藏著什麼玄機？若是再加上「有效族群量（effective population size ）」這個數據，將能看出非常有趣的趨勢：有效族群量愈小，突變率愈大，兩者呈現反比關係。
有效族群量，意思是一種生物中，參與生殖的個體總數；假如遺傳多樣性愈高，估計的有效族群量就會愈大。有效族群量未必和當下的個體數目成正比，最知名的案例就是人類；人類祖先演化史上一直人口不豐，還經歷過瓶頸，損失大把多樣性，使得儘管如今超過 70 億人口，卻仍沒有累積多少遺傳差異，有效族群量估計值只有一萬人左右。
人類的幾種靈長類親戚，突變率都差不多，是已知生物中最高的。牠們的有效族群量也都很小，黑猩猩、非洲綠猴稍微低於人類，紅毛猩猩、大猩猩則是稍高。相比之下，蜜蜂的有效族群量更大（16 萬），突變率明顯比人類低；黃果蠅與老鼠 80 多萬，突變率又更低一些。
至於單細胞生物們，不論是原核的大腸桿菌，或是真核的草履蟲，有效族群量通通超過 5 億，是所有生物中最高的一群；而它們的突變率，也處於各種生物中最低的極端。Kelley Harris 博士表示，假如人類細胞修復 DNA 的能力如草履蟲強大，將不會有機會罹患癌症。
人類突變率為什麼這麼高？
演化名家 Michael Lynch 提出「漂變障礙假說（drift barrier hypothesis）」，解釋突變率與有效族群量為何呈現反比。生物演化時，若 DNA 序列隨機變化稱作遺傳漂變，相對於天擇是非隨機的，一個變異若是有利，頻率就會增加，反之亦然。在較大的族群中，天擇作用的力量較強；而較小的族群內，漂變會增加影響力。
新突變誕生後，有害的機率大於有益，因此天擇理論上傾向降低突變率。然而人類由於演化史大部分時間中，算是人口不多的小族群，因此漂變比天擇更有影響力；換句話說，天擇掃除有害突變的效果不是太好。所以靈長類突變率高的原因，是牠們的族群太小，導致漂變影響力太大，使得天擇無法有效降低突變率（例如優化 DNA 損傷修理基因的能力）。
突變也可能受到外在環境影響。另一有趣的發現是，在歐洲新石器時代早期，農夫基因組中由 C 變 T 的突變，遠超過採集狩獵族群。Kelley Harris 猜測是由於農夫營養不良，造成基因缺陷，使得 C 變 T 這一類突變增加所致。若是推論正確，意謂環境會影響突變率。
漂變障礙假說很有意思，營養匱乏影響突變率聽來也很合理，隨著基因體學進展，未來更多研究將能闡明這些論點是否正確。當我們更了解遺傳奧秘，實在的應用將隨之而來，總是如此。
文 / 寒波
延伸閱讀：讓基因檢測更正確 從非洲探索失落的遺傳多樣性參考文獻：
1. Mutation Rate Evolution Meeting 2018. http://spfeiferlab.org/meeting/
2. Why microbes are better than people at keeping DNA mutations at bay
http://www.sciencemag.org/news/2018/04/why-microbes-are-better-people-keeping-dna-mutations-bay
3. Sung, W., Ackerman, M. S., Miller, S. F., Doak, T. G., & Lynch, M. (2012). Drift-barrier hypothesis and mutation-rate evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 109(45), 18488-18492.
4. Sniegowski, P., & Raynes, Y. (2013). Mutation rates: how low can you go?. Current biology, 23(4), R147-R149.
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