由芝加哥大學(UChicago)的科學家領導的一個研究小組在自然生態(tài)學和進化論上發(fā)表了一項研究(“ 在Oryza中從頭開始快速進化蛋白質多樣性 ”)， 該研究挑戰(zhàn)了關于新蛋白質如何進化的經典假設之一。研究表明，DNA的隨機非編碼區(qū)段可以快速進化以產生新的蛋白質?？茖W家表示，這些從頭開始或從頭開始的基因提供了一種新的，未開發(fā)的方式，蛋白質可以進化并促進生物多樣性。

“通過大基因組比較，我們證明非編碼序列可以演變成完全新穎的蛋白質。這是一個巨大的發(fā)現(xiàn)，“尤金龍，博士，UChicago生態(tài)與進化的杰出服務教授，新研究的高級作者，博士說。

“從非編碼DNA序列中重新出現(xiàn)的新蛋白質編碼基因有助于蛋白質多樣性。然而，從頭基因起源對于研究具有挑戰(zhàn)性，因為它需要針對密切相關物種的高質量參考基因組，祖先非編碼序列的證據(jù)以及新基因的轉錄和翻譯。13個密切相關的Oryza物種的高質量基因組提供了前所未有的理解從頭發(fā)生事件的機會。在這里，我們確定了大量年輕的從頭基因，這些基因具有可辨別的近期祖先非編碼序列和翻譯證據(jù)，“研究人員寫道。

“使用管道檢查基因組和倒數(shù)最佳全基因組比對之間的共線性關系，我們發(fā)現(xiàn)在重點物種至少175個從頭開放閱讀框的 栽培稻 亞種 粳稻，這都是在RNA基于測序的轉錄組檢測?；谫|譜的靶向蛋白質組學和核糖體譜分析顯示57%的從頭基因的翻譯證據(jù)。最近在Oryza的分歧 ，每百萬年平均生成和保留51.5個de novo基因。我們觀察到進化模式，其中過量的indels和早期轉錄在起源中有利于基因結構的逐步形成。這些數(shù)據(jù)表明，在陽性選擇下，從頭基因有助于蛋白質多樣性的快速進化。“

幾十年來，科學家認為新基因的進化只有兩種方式：重復和分化或重組。在正常的復制和修復過程中，DNA的一部分被復制并產生基因的復制版本。然后，這些拷貝中的一個可能會獲得突變，這些突變會改變其功能，使其發(fā)散并成為一個獨特的新基因。通過重組，遺傳物質被重新洗牌以產生新的組合和新基因。然而，考慮到構成它們的氨基酸的可能組合的總數(shù)，這兩種方法僅占相對少量的蛋白質。

科學家們一直想知道第三種機制，其中從頭基因可以從頭開始發(fā)展。所有生物都有很長的遺傳物質，不編碼蛋白質，有時高達總基因組的97%。這些非編碼區(qū)段是否有可能獲得突然使它們起作用的突變?

這一點很難研究，因為它需要來自幾個密切相關的物種的高質量參考基因組，這些物種顯示祖先的非編碼序列和隨后從它們進化而來的新基因。如果沒有這種明確的，可見的進化線，就沒有辦法證明它是真正的從頭基因。之前報道的新基因可能只是一個“孤兒基因”，在某些時候從不相關的生物體中分離或轉移，然后其前輩的所有痕跡都消失了。

為了克服這些挑戰(zhàn)，Long的團隊利用了13種新的基因組，這些基因組最近從11種密切相關的水稻植物中進行了測序和注釋，其中包括最常見的糧食作物Oryza sativa。他曾在亞利桑那大學與Rod Wing博士領導的小組合作。來自中國華中農業(yè)大學的Yidan Ouyang博士也領導了一個團隊，在中國南部沿海的熱帶島嶼海南種植自己的水稻，并將其收獲用于蛋白質組學抽樣。

在分析了這些植物的基因組后，他們檢測出至少175個從頭基因。蛋白質活性的進一步質譜分析由位于中國深圳的基因組測序中心深圳華大基因研究中心的Siqi Liu博士領導。他們發(fā)現(xiàn)有證據(jù)表明這些基因中有57%實際上轉化為新蛋白質，包括300多種新肽。

有了這個真正的從頭基因的第一個大型數(shù)據(jù)集，Long的團隊在他們的進化中發(fā)現(xiàn)了一種模式。它始于表達的早期進化，隨后突變?yōu)閹缀跛袕念^基因的蛋白質編碼潛力。

“這是有道理的，因為廣泛觀察到各種生物中的基因間區(qū)域的表達，”UChicago的博士后研究員，該文章的第一作者Li Zhang博士說。

Long說，Oryza植物是尋找de novo基因的良好基因組，因為它們相對年輕 - 你仍然可以在它們現(xiàn)有的基因組中看到進化的證據(jù)。

“這11種物種在大約三，四百萬年前相互分離，所以它們都是年輕的物種，”他說。“因此，當我們對基因組進行測序時，所有序列都非常相似。它們沒有累積多代變化，所以以前的所有非編碼部分仍然存在。“

Long和他的團隊接下來想要研究新的蛋白質，以進一步了解它們的功能和進化，看看它們的結構是否有獨特之處。如果de novo基因為進化開辟了未開發(fā)的途徑，它們可以揭示創(chuàng)造新的和改進的細胞功能的機制。例如，研究人員檢測到自然選擇的證據(jù)，用于修復基因組中的插入和缺失以產生新的蛋白質序列，以及序列向改進功能的演變。

“新蛋白質可以使某些功能更好，或者更好地幫助調節(jié)基因，”他說。“每一步，他們都可以為生物體帶來某種益處，直到它逐漸固定在基因組中。”