進(jìn)化是在單細(xì)胞古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的突變

內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種革命性的證據(jù)，證明在復(fù)雜生物中起作用的進(jìn)化現(xiàn)象也在其單細(xì)胞生物中發(fā)揮作用。物種通常通過(guò)連續(xù)世代遺傳的DNA突變進(jìn)化。幾十年前，研究人員開始發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞物種也可以通過(guò)表觀遺傳學(xué)進(jìn)化：來(lái)自細(xì)胞蛋白遺傳的性狀，控制生物體DNA的獲取，而不是遺傳變化。

因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)可以響應(yīng)生物體環(huán)境的變化，表觀遺傳學(xué)依賴于自然與培育之間的細(xì)微差別。它的證據(jù)只出現(xiàn)在真核生物中，即包含動(dòng)物，植物和其他幾個(gè)王國(guó)的多細(xì)胞生命領(lǐng)域。但是，來(lái)自內(nèi)布拉斯加州的Sophie Payne，Paul Blum及其同事的一系列實(shí)驗(yàn)表明，表觀遺傳學(xué)可以傳遞一種古細(xì)菌的極端耐酸性：微觀，單細(xì)胞生物，與真核生物和細(xì)菌共有特征。

“令人驚訝的是，它存在于這些相對(duì)原始的生物體中，我們知道它們是古老的，”布魯姆，內(nèi)布拉斯加州生物科學(xué)教授查爾斯貝塞說(shuō)。“我們一直認(rèn)為這是一種(進(jìn)化上的)新事物。但是表觀遺傳學(xué)并不是地球上的新生。”

研究小組在Sulfolobus solfataricus中發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，這是一種食用硫的物種，在黃石國(guó)家公園沸騰的醋酸性泉水中茁壯成長(zhǎng)。通過(guò)在幾年內(nèi)將物種暴露于不斷增加的酸度水平，研究人員進(jìn)化出了三種菌株，其耐受性比其黃石祖先高178倍。

其中一種菌株在其DNA中沒(méi)有突變的情況下進(jìn)化出抗性，而另外兩種菌株在相互排斥的基因中發(fā)生突變，這些基因不會(huì)導(dǎo)致耐酸性。當(dāng)研究小組破壞了被認(rèn)為可以控制抗性相關(guān)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)時(shí) - 讓DNA本身保持不變 - 這種抗性在后代中突然消失了。

“我們預(yù)測(cè)它們會(huì)發(fā)生突變，我們會(huì)跟蹤這些突變，這會(huì)告訴我們是什么導(dǎo)致了極端的耐酸性，”Blum說(shuō)。“但這不是我們發(fā)現(xiàn)的。”

雖然表觀遺傳學(xué)對(duì)于人類中一些最具生產(chǎn)力和破壞性的生理過(guò)程至關(guān)重要 - 細(xì)胞分化為大約200種類型，癌癥的發(fā)生 - 但在真核生物中研究仍然很困難。

Blum說(shuō)，古細(xì)菌的簡(jiǎn)單性，以及它們的細(xì)胞在某些重要方面類似于真核生物的事實(shí)，應(yīng)該允許研究人員比以前更快，更便宜地研究表觀遺傳問(wèn)題。

“我們不知道是什么改變了改變表觀遺傳特征的人類轉(zhuǎn)變，”布魯姆說(shuō)。“而且我們肯定不知道如何經(jīng)常扭轉(zhuǎn)它。這是我們要追求的第一件事：如何打開它，如何關(guān)閉它，如何讓它轉(zhuǎn)換。這對(duì)你有好處想想(管理)我們的特質(zhì)或植物的特性。“

佩恩說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)也提出了一些問(wèn)題，特別是關(guān)于真核生物和古生菌如何采用表觀遺傳學(xué)作為遺傳方法。

“也許他們兩人都擁有它，因?yàn)樗麄兣c擁有它的共同祖先不同，”生物科學(xué)博士生佩恩說(shuō)。“或許它可能會(huì)進(jìn)化兩次。從進(jìn)化的角度來(lái)看，這是一個(gè)非常有趣的概念。”

Blum表示，該團(tuán)隊(duì)同樣對(duì)表觀遺傳學(xué)是否以及如何解釋為什么沒(méi)有已知的古細(xì)菌引起疾病或如同細(xì)菌一樣對(duì)其兄弟進(jìn)行抗生素武裝的戰(zhàn)爭(zhēng)表示同樣好奇。

“那個(gè)世界沒(méi)有抗生素，”他說(shuō)。“為什么會(huì)這樣?我們認(rèn)為它與表觀遺傳學(xué)有關(guān)，所以它們之間的相互作用與細(xì)菌根本不同。”

Blum說(shuō)，這項(xiàng)研究引入了一個(gè)更廣泛的問(wèn)題。

“他們有什么好處呢?我們不知道。”

該團(tuán)隊(duì)在“ 美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”上報(bào)告了其研究結(jié)果。

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