进化是在单细胞古细菌中发现的突变

内布拉斯加大学林肯分校的研究人员发现了一种革命性的证据，证明在复杂生物中起作用的进化现象也在其单细胞生物中发挥作用。物种通常通过连续世代遗传的DNA突变进化。几十年前，研究人员开始发现多细胞物种也可以通过表观遗传学进化：来自细胞蛋白遗传的性状，控制生物体DNA的获取，而不是遗传变化。

因为这些蛋白质可以响应生物体环境的变化，表观遗传学依赖于自然与培育之间的细微差别。它的证据只出现在真核生物中，即包含动物，植物和其他几个王国的多细胞生命领域。但是，来自内布拉斯加州的Sophie Payne，Paul Blum及其同事的一系列实验表明，表观遗传学可以传递一种古细菌的极端耐酸性：微观，单细胞生物，与真核生物和细菌共有特征。

“令人惊讶的是，它存在于这些相对原始的生物体中，我们知道它们是古老的，”布鲁姆，内布拉斯加州生物科学教授查尔斯贝塞说。“我们一直认为这是一种(进化上的)新事物。但是表观遗传学并不是地球上的新生。”

研究小组在Sulfolobus solfataricus中发现了这种现象，这是一种食用硫的物种，在黄石国家公园沸腾的醋酸性泉水中茁壮成长。通过在几年内将物种暴露于不断增加的酸度水平，研究人员进化出了三种菌株，其耐受性比其黄石祖先高178倍。

其中一种菌株在其DNA中没有突变的情况下进化出抗性，而另外两种菌株在相互排斥的基因中发生突变，这些基因不会导致耐酸性。当研究小组破坏了被认为可以控制抗性相关基因表达的蛋白质时 - 让DNA本身保持不变 - 这种抗性在后代中突然消失了。

“我们预测它们会发生突变，我们会跟踪这些突变，这会告诉我们是什么导致了极端的耐酸性，”Blum说。“但这不是我们发现的。”

虽然表观遗传学对于人类中一些最具生产力和破坏性的生理过程至关重要 - 细胞分化为大约200种类型，癌症的发生 - 但在真核生物中研究仍然很困难。

Blum说，古细菌的简单性，以及它们的细胞在某些重要方面类似于真核生物的事实，应该允许研究人员比以前更快，更便宜地研究表观遗传问题。

“我们不知道是什么改变了改变表观遗传特征的人类转变，”布鲁姆说。“而且我们肯定不知道如何经常扭转它。这是我们要追求的第一件事：如何打开它，如何关闭它，如何让它转换。这对你有好处想想(管理)我们的特质或植物的特性。“

佩恩说，这一发现也提出了一些问题，特别是关于真核生物和古生菌如何采用表观遗传学作为遗传方法。

“也许他们两人都拥有它，因为他们与拥有它的共同祖先不同，”生物科学博士生佩恩说。“或许它可能会进化两次。从进化的角度来看，这是一个非常有趣的概念。”

Blum表示，该团队同样对表观遗传学是否以及如何解释为什么没有已知的古细菌引起疾病或如同细菌一样对其兄弟进行抗生素武装的战争表示同样好奇。

“那个世界没有抗生素，”他说。“为什么会这样?我们认为它与表观遗传学有关，所以它们之间的相互作用与细菌根本不同。”

Blum说，这项研究引入了一个更广泛的问题。