加州大学证实细菌基因组快速进化

　　

生物通报道：11月《Nature Genetics》杂志上，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员对几天内实时观测到的细菌基因组快速进化变化进行了描述。先前，研究人员已经将上百种细菌种类的基因组序列的静态“快照”公布于众，新报道揭示了这些基因组向靶标进化过程改变的方式。

“古生物学者通过化石，研究数百万年前发生的恐龙等动物的进化过程，新技术帮助我们观察大肠杆菌几天内的发生进化事件，” 论文高级作者、UCSD生物工程学教授Bernhard ? Palsson说，“已经发表的细菌基因组序列如同化石数据，我们的实验证实细菌的基因组会快速进化，以帮助细菌适应新的环境。”

过去由于技术条件的限制，生物学家推论细菌快速进化，需要在同一时刻仔细观察数个基因的改变或者通过检测生物体明显的特征、显性变化。Palsson研究小组利用NimbleGen Systems公司开发的比较基因组序列分析技术，在细菌全基因组中鉴别实验过程中发生的变化。

11月5日网络版《《Nature Genetics》杂志上，研究人员报道说，他们在容易发生突变的环境：碳源和能源即甘油的代谢条件差的环境中培养大肠杆菌。从培养基中挑取细胞，对全基因组进行测序，寻找有利于快速生长的突变。

生长的第七天，一种启动甘油降解过程的酶（甘油激酶，glycerol kinase）的基因发生突。携带突变甘油激酶的细胞的生长速度比原代细胞生长速度高20－60％。一种不相关的酶——RNA聚合酶也发生突变。“几乎所有的人都会感到吃惊，因为RNA聚合酶参与所有细胞的核心过程，” Palsson说，“你不能指望此基因发生突变，因为很多生物学过程会受到影响，这如同一盏灯烧坏时更换大厦内的线路系统。但是我们重复了50多次实验，RNA聚合酶一次次地发生突变。”

研究人员多次实验发现，在甘油培养基中培养6－8天后，两个基因一起发生突变，并且包含两种突变的大肠杆菌比原代大常杆菌的生长速度高150％。为了确定高生长速度是由突变引起的，研究人员将两个突变基因替换到原代细菌中，发现重新构建的原代细菌生长速度极快。论文合作者、先前是Palsson小组成员，现为黎巴嫩Mascoma 公司研究员的Christopher D. Herring说：“我们期待发现更多的突变基因，我们也担忧我们的结果是很难被理解，但是两者都不是问题。”

实验过程中出现的所有突变可能是细胞分裂出错的结果。利用NimbleGen Systems的比较基因组序列分析技术检测，进一步利用Sequenom生物技术公司的技术，分析DNA序列的精确变化。

“这种实验室进化研究的直接方法可作为探测、分析的新工具，甚至可用于寻找各种有益于人类的细菌功能，” Herring说，“可能会有许多生物公司希望采用这种新方法，辅助构建有益细菌。”

UCSD技术转让和知识产权办公室已经对进化实验方法申请了专利。这种方法将计算机模拟技术与最优化细菌进化设计过程相结合，以具有商业优势。除此之外，菌株的实验进化有助于精炼进化理论和相关的优胜劣汰自然选择过程。“意见调查表显示，许多人不相信发生进化，” Herring说，“假如持怀疑态度的人能够像我们一样亲眼目睹进化发生，我相信他们肯定会认为进化不仅是一个理论了。”（生物通记者 小粥）