在微流體通道中（從左到右）生長的大腸桿菌細胞的顯微鏡延時照片，經歷基因拷貝數突變（高強度藍色熒光：高拷貝數；低強度藍色熒光/紅色熒光：低拷貝數）
圖片來源：IST Austria-Guet
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根據需要打開和關閉基因可使生物體適應環境的變化，前提是該生物體具有適當的調節設計。
奧地利科學技術研究所（IST Austria）的科學家表明，在罕見或快速變化的條件下，一個細菌種群可以通過產生一個相同基因的更多拷貝來提高適應性。這些結果與抗擊抗生素耐藥性具有重要意義。
自然環境在不斷變化。如果這種變化是一種熟悉的變化，例如白天到黑夜的變化或食物供應的波動，則有機體會利用基因調控來適應，從而允許根據需要打開和關閉單個基因。
然而，一個有機體可能面臨新情況，它還沒有進化出足夠的基因調控機制。這種機制的演變需要很長時間（長達數百萬年），因為該過程取決于稀有點突變的發生，而如果條件迅速變化，正確的突變可能發生得不夠快。
來自奧地利科學技術學院的博士生Calin
Guet和Ga?perTka?ik和來自英國利物浦大學的Jonathan Bollback小組的學生Isabella Tomanek和Rok Grah都在懷疑是否可能采取另一種進化解決方案—基因復制—支持細菌種群在快速變化的條件下的生存。
復制/粘貼和刪除創造遺傳多樣性
像其他任何突變一樣，基因的復制始終自發地發生。Isabella Tomanek解釋說：“一個典型的細菌種群將包含大量的細胞，這些細胞在染色體的某個地方有復制。” “我們觀察了40多個個體細菌并觀察了這些重復，但是我們也看到它們非常不穩定：一個基因的第二個拷貝可能會在下一代中進一步擴增，從而導致大量拷貝，但是復制也可以立即被刪除，并且個體會退回到原始的單基因狀態。”
這種不穩定性會導致基因拷貝數變化，從而導致種群的基因表達水平發生變化（因為任何額外的基因拷貝都會增強基因的表達）。反過來，選擇可能會影響所產生的拷貝數多樣性，并選擇拷貝數/基因表達水平“正確”的細菌。
快速變化需要迅速決策
培養皿中的熒光大腸桿菌種群。圖片來源：IST
Austria - Guet group
為了檢驗他們的假設，科學家們研究了在兩種不同的糖環境中與大腸桿菌生長相關的模型基因的表達：一種是半乳糖環境，選擇了模型基因的高表達來支持生長（環境 A），另一種是半乳糖的化學類似物的環境，僅當模型基因表達較低時才支持生長（環境B）。通過按照24小時的節奏在這兩個相對的環境之間切換，科學家模擬了一個相對快速變化的生長條件，研究模型基因如何被調控。正如所料，Tomanek等人觀察到，種群可以根據需要將其基因表達調整到兩種環境，即在A環境中基因高表達，而在B環境中基因地低表達
這些實驗結果由Ga?perTka?ik生物物理學理論小組的Rok Grah得到，他們將數據轉換為種群動力學模型。這三個小組將他們的工作聯合起來，首次證明了當需要基因調控但沒有其他遺傳調控機制時，基因復制可以作為一種調節基因表達水平的策略。
Rok Grah說：“最顯著的是，復制/粘貼和刪除策略在生態時間尺度上生效，即在較慢的進化解決方案出現之前，如在單細胞水平上的基因調控可以通過點突變的適應來進化。而且，正如我們在我們的模型中所展示的，由于任何基因組區域基本上都可以被擴增，所以所描述的機制不僅作用于任何細菌基因，原則上也適用于任何其他生物體。”
抗生素耐藥性的意義
這項研究中描述的遺傳機制的廣泛適用性對多種多樣的生物現象具有潛在的意義。例如，它可能導致抗生素失效，因為由于拷貝數的差異，來自同一位患者的細菌表現出不同水平的抗生素耐藥性。這種現象被稱為異抗，這使得醫生很難估計到底需要多少抗生素才能成功地對抗細菌感染。 該研究發表在《Nature Ecology &
Evolution》上。
文獻來源:
Gene amplification as a form of population-level gene expression regulation, Nature Ecology & Evolution,
DOI: 10.1038/s41559-020-1132-7 ,
https:///articles/s41559-020-1132-7
新聞報道：
https:///articles/s41559-020-1132-7
譯文校稿：
LuLu
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