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        基因突變權衡導致平行進化
        
			
        
				2019-06-20 09:25:52
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        自然界中的生物在復雜的環(huán)境中適應和發(fā)展。例如，當受到營養(yǎng)，抗生素和捕食的變化時，野外的微生物面臨著同時適應多種性狀的挑戰(zhàn)。但是，為了生存，必須同時改善多重特征，進化如何展開?
        

        基因突變權衡導致平行進化
        

        雖然可遺傳的基因突變可以改變表型特征并使種群能夠適應其環(huán)境，但適應通常受到權衡的限制：對一種性狀有利的突變可能對另一種性狀有害。
        

        由于復雜環(huán)境中存在的選擇壓力與限制表型的權衡之間的相互作用，預測進化動力學是困難的。
        

        伊利諾伊大學厄本那 - 香檳分校的研究人員已經(jīng)展示了當選擇作用于受權衡支配的兩個特征時，進化動力學是如何進行的。結果使生命科學更接近于理解細胞水平上進化的完全復雜性。
        

        Seppe Kuehn是物理學助理教授，也是美國大學生活細胞物理中心的成員，領導了這項研究。該團隊研究了細菌大腸桿菌的種群，這種細菌在一周內(nèi)可以經(jīng)歷數(shù)百代，為研究突變及其對遺傳性狀的影響提供了充足的機會。
        

        該團隊選擇了大腸桿菌種群，以便通過多孔環(huán)境更快地遷移。定量模型顯示，通過一次改善兩個性狀 - 游泳速度和生長速率(細胞分裂)，群體可以實現(xiàn)最快的遷移。
        

        Kuehn解釋說，“這項研究揭示了當性能取決于受權衡限制的兩個特征時進化是如何進行的。雖然數(shù)學模型表明最快的遷移種群應該由快速游動并快速繁殖的細胞組成，我們發(fā)現(xiàn)人口通過相互排斥的兩條不同的進化路徑實現(xiàn)更快的遷移：換句話說，這些種群在游泳速度或繁殖率方面均有所改善，但兩者都沒有。“
        

        大衛(wèi)T.弗雷貝爾是Kuehn實驗室小組的一名研究生，也是該研究的第一作者。他評論說，“大多數(shù)實驗都采用選擇壓力來優(yōu)化單一性狀，并且由于未被選擇的性狀衰退而不是由于多種壓力之間的妥協(xié)而在這種情況下觀察到權衡。我們選擇游泳和生長同時，大腸桿菌無法同時優(yōu)化這兩種特性。“
        

        由團隊創(chuàng)建的選擇環(huán)境確定了人口遵循的進化軌跡。在營養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基中，游泳速度越快意味著繁殖越慢;然而，在營養(yǎng)不良的環(huán)境中，較慢的游泳和較快的繁殖導致了相同的預期結果：通過多孔環(huán)境更快地遷移。
        

        通過對進化群體的DNA進行測序，該團隊確定了在每種情況下負責適應的突變。當他們將這些突變基因工程改造到創(chuàng)始菌株中時，這些細胞表現(xiàn)出更快的遷移和與進化菌株相同的表型權衡。
        

        Kuehn說：“我們的研究結果支持了這一觀點，即進化可以在基因上輕松實現(xiàn)。”“在營養(yǎng)豐富的環(huán)境中，很容易找到一種突變，使細胞更快地游動。在營養(yǎng)不良的環(huán)境中，很容易找到一種突變，使細胞分裂更快。在這兩種情況下，突變都會破壞陰性調(diào)節(jié)基因，其作用是降低基因表達或蛋白質(zhì)水平。“
        

        “最近的其他研究表明，微觀進化主要受到負調(diào)控因素變化的影響。原因是：在統(tǒng)計上很容易找到破壞事物的突變而不是建立新功能或部分的突變。
        

        當選擇作用于受權衡限制的兩個性狀時，表型在破壞負調(diào)節(jié)元件的方向上發(fā)展，因為它在統(tǒng)計學上是一條簡單的路徑。它涉及有用突變的可用性。“
        

        Kuehn總結了這一發(fā)現(xiàn)的價值：“改進進化的預測模型將涉及了解突變?nèi)绾胃淖兗毎^程的調(diào)節(jié)以及這些過程如何與限制性狀的權衡相關聯(lián)。揭示定義調(diào)節(jié)與貿(mào)易之間關系的一般原則 - 關閉可以使我們預測進化結果。“
        
			

			
          
        
			
        
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