Nature：四名本科生揭示进化的关键机制—全基因组复制驱动长期适应

Nature：Genome duplication in a long-term multicellularity evolution experiment

佐治亚理工学院的科学家们在实验室中揭示了全基因组复制是如何出现的，并在数千代的进化中保持稳定。

　　

有时候，最重大的科学发现是偶然发生的。

科学家们早就知道全基因组复制（WGD）——生物体复制其所有遗传物质的过程——在进化中起着重要作用。但是，对于WGD是如何产生、持续和驱动适应的理解仍然很少。

出乎意料的是，佐治亚理工学院的科学家们不仅揭示了WGD是如何发生的，而且还揭示了它是如何在实验室的数千代进化中保持稳定的。

这项新研究是由生物科学学院教授William Ratcliff和曾在Ratcliff实验室攻读博士学位、现为波士顿大学博士后的Kai Tong领导的。

他们的论文《长期多细胞进化实验中的基因组复制》作为3月份《自然》杂志的封面故事发表在杂志上。

Ratcliff说：“我们开始探索生物体如何向多细胞生物过渡，但发现WGD在这一过程中的作用完全是偶然的。这项研究为WGD如何出现、持续很长一段时间以及推动进化创新提供了新的见解。这真的很令人兴奋。”

隐藏在数据中的秘密

2018年，Ratcliff实验室启动了一项探索开放式多细胞进化的实验。多细胞长期进化实验（MuLTEE）使用“雪花”酵母（Saccharomyces cerevisiae）作为培养基，将其从单细胞进化为越来越复杂的多细胞生物。研究人员通过每天选择更大尺寸的酵母细胞来做到这一点。

“这些长期的进化研究帮助我们回答了关于生物如何适应和进化的大问题，”Tong说。“它们经常揭示意想不到的事情，扩大我们对进化过程的理解。”

当Ratcliff实验室的研究人员Ozan Bozdag注意到雪花酵母中有一些不寻常的东西时，事情就发生了。Bozdag观察了1000天的酵母，发现它的特征表明它可能从二倍体（有两组染色体）变成了四倍体（有四组染色体）。

几十年的实验室实验表明，四倍体的特征是不稳定的，在几百代内就会恢复到二倍体。因此，Tong对WGD是否在MuLTEE中发生并持续了数千代持怀疑态度。如果这是真的，这将是第一次WGD自发产生并在实验室中持续存在。

在对进化的酵母进行测量后，Tong发现它们很早就复制了它们的基因组——在MuLTEE的前50天内。引人注目的是，这些四倍体基因组持续了1000多天，尽管在实验室条件下WGD通常不稳定，但仍继续茁壮成长。

研究小组发现，WGD的出现和存在，是因为它给了酵母生长更大、更长的细胞和形成更大的多细胞集群的直接优势，这在MuLTEE的大小选择下是有利的。

进一步的实验表明，虽然雪花酵母中的WGD通常是不稳定的，但它在MuLTEE中持续存在，因为较大的多细胞集群具有生存优势。这种稳定性使酵母能够经历遗传变化，非整倍性（染色体数量异常的情况）在多细胞发育中起着关键作用。因此，MuLTEE成为持续时间最长的多倍体进化实验，为基因组复制如何促进生物复杂性提供了新的见解。

一个多才多艺的团队

Ratcliff强调，严格的本科研究在他们意想不到的突破中发挥了关键作用。实验的成功离不开四名本科生，他们在佐治亚理工学院接受教育的早期就加入了这项研究。

Ratcliff说：“这种真实的研究经历改变了我们学生的生活和职业。你无法在课堂上获得这种水平的学习。”

Vivian Cheng一年级就加入了Ratcliff的实验室，并于2022年毕业，她和另一名学生一起接受了基因工程二倍体和四倍体酵母菌株的挑战。Ratcliff和Tong最终使用了这些相同的菌株作为他们分析的主要部分。

“这项工作是了解促成多细胞进化的各种因素的又一步，”Cheng说，他现在是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的博士研究生。“看到这种倍性水平的单一因素如何影响这些酵母细胞的选择，真是太酷了。”

Ratcliff指出，他的团队在启动MuLTEE时，根本无法预料到一些最重要的发现。但这就是关键所在。

他补充说：“这些实验中最深远的结果往往是我们没有打算研究的，但却出乎意料地出现了。他们突破了我们认为可能的界限。”他和助理教授James Stroud在同一期《自然》杂志上发表的一篇关于进化生物学长期实验的综述中，进一步阐述了这一主题。

这一发现揭示了全基因组复制的进化动力学，并为探索此类遗传事件的后果提供了独特的机会。这项研究有可能推动未来进化生物学的发现，它代表了理解生命在短期和长期尺度上是如何进化的重要一步。

“科学进步很少是一帆风顺的，”Tong说。相反，它沿着各种相互关联的路径展开，经常以令人惊讶的方式聚集在一起。正是在这些十字路口，才会有最激动人心的发现。”

Genome duplication in a long-term multicellularity evolution experiment