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隐藏的遗传变异促进了进化的飞跃

尽管对生物体的行为或外观没有直接影响,但所谓的“神秘”遗传变异在进化中起着重要作用。根据7月26日出版的“科学”杂志上的一篇论文,悄悄积聚“神秘”遗传变异的实验室人群能够惊人地进化。更好地理解隐秘变异可以改进用于开发用于医学和其他应用的新生物分子的定向进化技术。遗传变异 - 即DNA中累积的突变 - 是所有进化变化的燃料:遗传变异越多,进化越快,新的自适应解决方案的可能性越大。

隐藏的遗传变异促进了进化的飞跃

但是,一种遗传变异 - 隐藏的或“神秘的”变异 - 并不会改变生物体在其通常环境中的外观或行为。

相应的作者,苏黎世大学的进化生物学家,圣菲研究所的外部教授安德烈亚斯瓦格纳说:“这是一种未得到充分认识的遗传变异。”它在进化中发挥着重要作用。

以前的工作表明,自然种群的神秘变异促进了快速的进化适应。但潜在的分子机制尚不清楚。

为了探索这些机制,Wagner的团队研究了携带带有黄色荧光蛋白(YFP)基因质粒的肠道细菌大肠杆菌群体。该团队设计了一个两阶段实验。在第1阶段,他们使用诱变PCR来增加YFP基因的变异。同时,他们选择了窄范围的黄色荧光。排除任何不够黄的细菌,这一过程称为“稳定选择”。通过这种方式,他们建立了深层的隐秘遗传变异,而不会改变YFP蛋白的黄色。

在第2阶段,团队改变了选择规则并开始选择在光谱的绿色部分发荧光的大肠杆菌(“方向选择”)。他们还引入了大肠杆菌的对照群体,其在YFP中缺乏增强的隐蔽变异。所述大肠杆菌用隐蔽变异存储细胞系进化出均更绿和基因比任何由控制产生更多样化的绿色荧光蛋白(YFP从基因)的大肠杆菌谱系。

共同作者Joshua Payne(苏黎世联邦理工学院)说,在实验中,神秘的变异不仅仅能更快地推动进化适应。具有深厚隐秘变异储备的细胞系进化出更绿色的YFP蛋白,这是常规细菌无法获得的蛋白质形式,并且它们通过常规大肠杆菌无法获得的多种独特途径进化而来。

目前实验室指导的进化通常每次都会产生相同的进化结果。第一作者,苏黎世大学博士后研究员贾铮说,这项新研究表明,丰富的神秘变异可以为蛋白质序列空间难以接近的区域敞开大门。

在野外,神秘的变异有助于鱼类适应洞穴中的生活。在实验室中,神秘的变异可能有助于生物分子结合新的受体。“我们的工作可以帮助开发新的定向进化策略,以寻找用于生物技术和医学应用的创新生物分子,”郑说。

就像一个减肥储蓄帐户一样,神秘变异是一种变异的储存,在紧急情况下变得可用,以促进对谱系生存至关重要的快速进化变化,并对分子生物学家有用。

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