绘制基因组进化图

　　

通常，我们会把进化与生物获得新基因从而变得更加复杂结合起来。但是对两个细菌基因组序列进行的最新分析显示，进化过程中可以丢失基因也可以获得基因。甚至更令人感兴趣的是，这项工作提供了捕获基因动态衰减过程的快照，因而描绘出在数千万年的进化过程中确实发生的基因组变化。

在本期Science第2093页上法国南部Marseilles医学院的微生物学家Didier Raoult和他的合作者们介绍了他们的研究工作。研究以两个致病性细菌为主：一种是引起地中海斑疹热的Rickettsia conorii，另一种是导致斑疹伤害症的R. prowazekii。这两种生物在大约4000万到8000万年前从一个共同的祖先分支进化而来。两种细菌共同的一个基因中累积的突变证据表明R. prowazekii进化得更快。为了研究这两种生物是如何在进化上逐渐分离的，Raoult的研究组对R. conorii基因组全部13亿碱基对进行了测序，然后与R. prowazekii基因组序列进行了比较，后者的基因组是在三年前由瑞典University of Uppsala的Charles Kurland和同事们完成测序。

两种Rickettsia病原菌是很好的研究对象，部分原因在于二者都是细胞内被动寄生菌，也就是说它们只能在其昆虫载体的细胞或感染动物，如人，的细胞中成活。因此它们很少碰到其它可以与它们交换遗传物质的物种，从而更容易研究它们独立的基因组如何在漫长的进化时间内发生变化的。

科学家们长期以来一直推测，对于动物细胞中的小细菌而言，缩小的基因组可以保存能量并提高效率。Raoult领导的研究组进行的最新分析提供了对这一理论的支持。研究表明R. prowazekii的基因组与R. conorii基因组的13亿碱基对相比要更小，总长为11亿碱基对。而且其十分之一的序列为重复DNA，并且拥有更少的活性基因。R. conorii拥有1374个活性基因，而R. prowazekii则只有834个活性基因。

此外，R. prowazekii中那些不再发挥功能的基因中有将近一半仍然保存在基因组中。这些“垃圾”DNA的排列甚至类似于R. conorii基因组中活性基因的结构。Raoult说：“这就好像将两者之中的一个作为另一个的祖先，并且然后看一看在进化过程中发生的故事一样。”

德克萨斯大学位于Galveston的医学分部的病理学家David Walker说：“这一序列告诉我们有关进化的本来我们早应该知道的一些东西。”他指的就是细菌基因衰减的事实。他补充说，由于R. prowazekii丢失的基因中许多还存在于病原菌的基因组中，新的序列可能可以解释为什么基因衰减以及它们的功能如何发生的改变。

事实上，这项工作已经提供了一个基因衰退进程的非常清楚的视点。就象R. prowazekii基因组序列显示的，最初基因是通过终止码给打断的。偶尔，这些被终止的基因继续制造它们的不完整蛋白产物。但是随着退化的发展，基因失去其产生蛋白的功能并最终完全停止被转录成信使RNA，尽管它们仍然可以被转录机器识别确认。

这种衰退可能是随机突变和适应性的共同结果。使一个基因失活的一个突变或者会使一个Rickettsia细菌死亡，或者会使改变的基因传递到后代中。Raoult指出一些丢失的基因制造用来产生氨基酸的酶，而宿主也可以产生这种氨基酸——意味着这种细菌可以放弃这些基因但并不会失去获得氨基酸的能力。亚利桑那大学的进化生物学家Nancy Moran说：“如果你不能从那个基因那儿获得什么正面的利益，那么你就可以放弃它。”

科学家们完成了Rickettsia细菌进化的粗略轮廓图之后，现在希望集中研究基因失活如何发生的细节。Moran指出许多丢失的基因具有基础功能，如DNA修复。因此，有可能一个特定的DNA修复基因而不是另一个DNA修复基因的丢失可以影响什么突变被保留下来。科学家们通过弄清基因丢失如何指导细菌的进化，或许可以得出其现有结构将变成怎样。

——摘译自Science Volume 293, Number 5537, Issue of 14 Sep 2001, pp. 1969-1970.