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基因突变权衡导致平行进化

2018-12-28 10:24:51 • 来源：

自然界中的生物在复杂环境中适应和发展。例如，当受到营养，抗生素和捕食的变化时，野外的微生物面临着同时适应多种性状的挑战。但是，为了生存，必须同时改善多重特征，进化如何展开?虽然可遗传的基因突变可以改变表型特征并使种群能够适应其环境，但适应通常受到权衡的限制：对一种性状有利的突变可能对另一种性状有害。由于复杂环境中存在的选择压力与限制表型的权衡之间的相互作用，预测进化动力学是困难的。

基因突变权衡导致平行进化

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究人员已经展示了当选择作用于受权衡支配的两个特征时，进化动力学是如何进行的。结果使生命科学更接近于理解细胞水平上进化的完全复杂性。Seppe Kuehn是物理学助理教授，也是美国大学生活细胞物理中心的成员，领导了这项研究。该团队研究了细菌大肠杆菌的种群，这种细菌在一周内可以经历数百代，为研究突变及其对遗传性状的影响提供了充足的机会。该团队选择了大肠杆菌群体，以便通过多孔环境更快地迁移。定量模型显示，通过一次改善两个性状 - 游泳速度和生长速率(细胞分裂)，种群可以实现最快的迁移。

Kuehn解释说，“这项研究揭示了当性能依赖于受权衡限制的两个特征时进化是如何进行的。尽管数学模型表明最快的迁移种群应该由快速游动并快速繁殖的细胞组成，我们发现人口通过相互排斥的两条不同的进化路径实现更快的迁移：换句话说，这些种群在游泳速度或繁殖率方面均得到改善，但两者都不同。

Kuehn实验室小组的研究生大卫T. Fraebel是这项研究的第一作者。他评论说，“大多数实验都采用选择压力来优化单一性状，并且由于未被选择的性状衰退而不是由于多种压力之间的折衷而在这种情况下观察到权衡。我们选择游泳和生长同时，大肠杆菌不能同时优化这两种特性。“

由团队创建的选择环境确定了人口遵循的进化轨迹。在营养丰富的培养基中，游泳速度越快意味着繁殖越慢; 然而，在营养不良的环境中，较慢的游泳和较快的繁殖导致了相同的预期结果：通过多孔环境更快地迁移。

通过对进化群体的DNA进行测序，该团队确定了在每种情况下负责适应的突变。当他们将这些突变基因工程改造到创始菌株中时，这些细胞表现出更快的迁移和与进化菌株相同的表型权衡。“我们的研究结果支持了这样一种观点，即进化在基因上很容易实现，”Kuehn说。“在营养丰富的环境中，很容易找到一种能够使细胞游得更快的突变。在营养不良的环境中，很容易找到使细胞分裂更快的突变。在这两种情况下，突变都会破坏阴性调节基因，其作用是降低基因表达或蛋白质水平。“

“最近的其他研究表明，微观进化主要受到负调控元素变化的影响。原因是：在统计上很容易找到破坏事物的突变而不是建立新功能或部分的突变。

当选择作用于受权衡限制的两个性状时，表型在破坏负调控元件的方向上发展，因为它在统计学上是一条简单的路径。它涉及有用突变的可用性。“

Kuehn总结了这一发现的价值：“改进进化的预测模型将涉及了解突变如何改变细胞过程的调节以及这些过程如何与限制性状的权衡相关联。揭示定义调节与贸易之间关系的一般原则 - 关闭可以使我们预测进化结果。“

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