推動進(jìn)化的力量可能并不像我們想象的那么隨機(jī)

基因突變的隨機(jī)性意味著進(jìn)化在很大程度上是不可預(yù)測的。但最近的研究表明，這可能并不完全如此，基因之間的相互作用在決定基因組如何變化方面發(fā)揮的作用比預(yù)期的要大。

眾所周知，基因組的某些區(qū)域是比其他人更有可能是可變的但現(xiàn)在的一項(xiàng)新研究表明，物種的進(jìn)化歷史也可能在使突變更可預(yù)測方面發(fā)揮作用。

“這項(xiàng)研究的意義是革命性的，”說諾丁漢大學(xué)進(jìn)化生物學(xué)家詹姆斯·麥金納尼（James McInerney）。

“通過證明進(jìn)化并不像我們曾經(jīng)想象的那樣隨機(jī)，我們?yōu)楹铣缮飳W(xué)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)的一系列可能性打開了大門。

諾丁漢大學(xué)生物學(xué)家艾倫·比萬（Alan Beavan）及其同事利用人工智能的計(jì)算能力研究了2000多個(gè)完整的基因組。大腸桿菌細(xì)菌。

細(xì)菌在改變它們的DNA時(shí)特別棘手，相當(dāng)擅長從環(huán)境中竊取基因并將它們整合到他們的基因組中。稱為水平基因轉(zhuǎn)移，該過程使細(xì)菌能夠隨時(shí)獲得新的性狀，例如巧妙地避開抗生素 - 無需討厭地等待選擇，從而需要跨代工作。

奇怪的是，屬于同一基本組的水平轉(zhuǎn)移基因最終可以停在細(xì)菌基因組的不同位置。通過研究不同位置的水平基因，研究人員能夠看到基因的直接環(huán)境如何影響它們。

他們能夠測試著名的進(jìn)化生物學(xué)家斯蒂芬·J·古爾德（Stephen J. Gould）的思想實(shí)驗(yàn)：重播一盤進(jìn)化史的錄像帶，每次都會導(dǎo)致不同的、不可預(yù)測的結(jié)果，因?yàn)檫M(jìn)化路徑取決于不可預(yù)測的事件。

如果這是真的，細(xì)菌的基因組在獲得新的水平基因后會繼續(xù)隨機(jī)進(jìn)化。但是，在這些基因獲取事件發(fā)生后，人工智能在數(shù)千次“磁帶回放”中發(fā)現(xiàn)了可預(yù)測性的模式。

“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)特定的其他基因家族已經(jīng)存在時(shí)，一些基因家族從未出現(xiàn)在基因組中，而在其他情況下，一些基因非常依賴于存在不同的基因家族。解釋諾丁漢大學(xué)微生物學(xué)家瑪麗亞·羅莎·多明戈-薩納內(nèi)斯。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)單獨(dú)的簇，我們可以在其中推斷基因之間的正負(fù)關(guān)系。pic.twitter.com/rlZrXECvNH

— 瑪麗亞·羅莎·多明戈·薩納內(nèi)斯 （@blackpassiflora）1月 5， 2024

因此，基因組的歷史，即它當(dāng)時(shí)擁有哪些基因，可以決定它將來會擁有或不會擁有哪些基因。我們之前已經(jīng)通過緊密物理定位在遺傳分子上的基因（連接基因）看到了這一點(diǎn)的跡象，但這些基因也發(fā)生在細(xì)菌基因組上沒有密切物理聯(lián)系的基因上。

“進(jìn)化的某些方面是確定性的——也就是說，每次我們重播錄像帶時(shí)，它們都可能發(fā)生。確認(rèn)Beavan和團(tuán)隊(duì)在他們的論文中?！盎虻拇嬖谂c否僅根據(jù)基因組中的其他基因是可以預(yù)測的。例如，假設(shè)的基因A可能僅在沒有基因C的情況下預(yù)測基因B的存在。

這不會違反隨機(jī)突變的規(guī)則;更重要的是，自然選擇的力量也在分子水平上起作用，直到最近我們才有計(jì)算能力完全看到這一點(diǎn)。從本質(zhì)上講，基因組本身就是它們自己的微觀生態(tài)系統(tǒng)，其中基因可以相互幫助或阻礙。

因此，在倒帶磁帶時(shí)大腸桿菌每次進(jìn)化仍然會揭示不同的進(jìn)化軌跡，也會有成百上千個(gè)可預(yù)測的事件，在重復(fù)觀看中會出現(xiàn)清晰的模式。

“例如，從這項(xiàng)工作中，我們可以開始探索哪些基因'支持'抗生素耐藥基因。解釋比萬。

“因此，如果我們試圖消除抗生素耐藥性，我們不僅可以靶向焦點(diǎn)基因，還可以靶向其支持基因。

這項(xiàng)研究發(fā)表在PNAS國際科學(xué)院院刊.

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