一种简单的细菌揭示了压力如何推动进化

一种常见的细菌进一步证明，进化并非完全是一个盲目过程，受基因随机变化的影响，但环境压力因素也可以发挥作用。美国宇航局资助的团队是第一个设计一种方法的小组，该方法展示了转座子-DNA序列如何在基因组内移动位置 - 从一个地方跳到另一个地方。

研究人员发现，这些转座子的跳跃率，恰当地命名为“跳跃基因”，根据环境因素(如食物供应)的增加或减少而增加或减少。

“这是了解环境如何影响进化速率的新窗口，”伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校宇宙生物学宇宙生物学研究所主任奈杰尔·戈德菲尔德说。“我们可以首次测量进化速率，我们可以看到进化在分子水平上起作用。”

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的物理学家托马斯库尔曼说，细菌物种也可以在跳跃率和环境中发挥作用。“这些转座因子的活动不是一成不变的;它不仅仅是一堆细胞，”他说。

Kuhlman和Goldenfeld最近在“美国国家科学院院刊”上发表了一篇关于这项研究的论文，“个体活细胞中的实时转座因子活性”。这项研究由伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的物理研究生Neil Kim领导，其中还包括来自同学Gloria Lee，Nicholas Sherer和Michael Martini的作品。

真面目

Goldenfeld研究环境在进化中的作用，而Kuhlman专注于大肠杆菌的生物过程，大肠杆菌是一种生活在人类和动物消化道中的常见细菌，也是受污染粪便感染的原因。

两位研究人员提出了一种新方法来观察跳跃基因的运动，通过设计表达荧光蛋白的大肠杆菌，当转座子从基因组中“跳出”时。因为当发生这种情况时细胞会亮起，研究人员能够记录跳跃的细胞比其他细胞更多。

“只有当转座子跳跃时，细胞才会亮起，”Goldenfeld说。“所以我们可以看到他们跳跃的频率，跳跃的时间以及跳跃的地方。”

Goldenfeld的团队还构建了跳跃活动的计算机模拟，能够排除随机活动成为跳跃的主要原因。一旦他们将模拟与实验室试验进行比较，很明显转座子不是随机跳跃的。Goldenfeld表示，这一发现为进化机制提供了更多信息。

进化的一个基本假设是基因组中的突变和其他不稳定性随机发生在生物体中作为“盲”进化力，而对细胞有益的那些导致繁殖成功。另一种可能性，生物学家不太接受，环境促使细胞或生物体发生突变，以使细胞更好地繁殖。这些适应性突变或应激诱导突变发生在环境中的压力源。

“我们的工作表明，环境确实会影响转座子活跃的速度，然后跳入基因组并对其进行修改，”Goldenfeld说。“因此，这意味着环境确实改变了进化速度。我们的工作在这一点上没有回答的是转座子活性是否抑制了在细胞特定环境中不良的基因。它只是说进化速度变得很快应对环境压力。

“这个结论，”他补充说，“对于某些类型的突变，已经通过其他研究已知，因此本身并不完全逆转目前的教条。我们希望未来的工作将尝试衡量基因组不稳定性我们可以测量的是适应性的。“

库尔曼说，他希望未来能研究更复杂的生物。

“下一步是在酵母中进行操作，作为一种非常简单的真核细胞。然后最终在未来的道路上，我们将[这个过程]在哺乳动物或人类细胞中发挥作用。”

该研究不仅有助于了解生命的起源，还可以揭示细胞经历快速突变的情况。一种可能的应用可能是排除癌症的途径，当细胞异常生长并导致身体其他部分出现问题时。

Goldenfeld补充说，这些发现对天体生物学也有明显的影响。

“天体生物学关注的一个问题是环境与进化速度之间的相互作用，”他说。“我们的工作首次表明环境对转座子活性的影响，因为我们可以从字面上测量效果。我们定量地做了这个，并将其与假设转座子活性是随机的理论预测相比较。我们可以证明这项活动根本不是随意的。“