观看跳跃基因的行动

“跳跃基因”无处不在。生命的每个领域都有这些DNA序列，这些DNA序列可以沿染色体从一个位置“跳”到另一个位置; 事实上，近一半的人类基因组由跳跃基因组成。根据其特定的切除和插入点，跳跃基因可以中断或触发基因表达，驱动基因突变并促进细胞多样化。自20世纪40年代发现以来，研究人员已经能够研究这些跳跃基因的行为，通常称为转座子或转座因子(TE)，主要通过间接方法从个体结果中推断个体活动。然而，这些技术不够敏感，无法确切地确定转座子如何或为何跳跃，以及哪些因素触发它们的活动。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的科学家在“美国国家科学院院刊”上发表的报告中，观察到活细胞内的基因活动实时跳跃。该研究是物理学教授Thomas Kuhlman和Nigel Goldenfeld在国家科学基金会物理前沿中心活细胞物理中心的共同努力。

“在这项研究中，我们能够看到实际上有更多的这种跳跃基因动作正在进行，而不是以前的研究所预期的，”库尔曼说，他的团队进行了体内实验。“更重要的是，我们了解到这些基因跳跃的速率依赖于细胞如何生长 - 例如，如果有可用于细胞生长的食物，换句话说，跳跃基因激活并非完全随机，它取决于环境反馈。“

为了观察活细胞中的这些个体细胞进化事件，Kuhlman的团队设计了一种使用细菌大肠杆菌的合成生物系统。科学家将荧光报告基因的表达与转座子的跳跃活动结合起来，这些基因编码(在这种情况下，蓝色和黄色)荧光蛋白。然后，科学家可以使用荧光显微镜在视觉上记录转座子活性。

“这些基因可以跳跃并改变细胞基因组中的位置，”库尔曼说。“我们将这种活动挂钩到一个分子系统，这样当它们开始跳跃时，整个细胞发出荧光。在我们的实验中，细胞发出的荧光最多，当它们不是很开心时。有一种观点认为突变率增加了在这种不愉快的条件下，这可能是一个优势，因为细胞可以多样化。“为了帮助设计实验并计算如果跳跃以纯粹随机的方式发生会发生什么，Goldenfeld的团队开发了细菌菌落生长的计算机模拟，并预测了实验信号在随机情况下的样子。这些计算表明，实验不能简单地解释为随机转座子活性，甚至提供了关于非随机性来源的线索，包括环境反馈和遗传。

“我们的工作涉及大量的计算图像分析，其次是统计分析，”Goldenfeld说。“为了从原始数据中提取信号和结论，模拟和理论计算是实验设计和解释的组成部分。这种协作项目实际上只有在活细胞物理中心提供的独特结构下才有可能。”

“最重要的长期研究目标是更深入地了解进化如何在分子水平上发挥作用。直接观察细胞中基因组如何重组自身，可以精确确定适应率，并可以阐明一系列重要的进化问题，从生命的出现到癌症的传播，细胞经历快速突变和基因组的转化，“库尔曼补充说。

Kuhlman和Goldenfeld是伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校Carl R. Woese基因组生物学研究所和物理系的成员。这项工作涉及多名研究生，包括主要作者Hyuneil Kim，Gloria Lee，Nicholas Sherer和Michael Martini。