在微生物群體中生物工程師發(fā)現(xiàn)了相反的基因組力量的平衡！
百歐博偉生物 / 2019-05-16 14:28:56
中國微生物菌種查詢網(wǎng) 伊利諾伊大學(xué)生物工程和物理學(xué)教授謝爾蓋·馬斯洛夫(Sergei Maslov)看到了“一粒沙子中的宇宙”。他的研究旨在通過關(guān)注其成分的基因組多樣性來探索這個(gè)宇宙：數(shù)以百萬計(jì)的微生物在其中繁衍生息。
Maslov最近發(fā)表于Genetics的研究通過模擬幾種不同因素對(duì)基因組序列進(jìn)化的影響，研究了控制這種多樣性的動(dòng)力學(xué)。該研究的共同作者是Maslov實(shí)驗(yàn)室的前成員，現(xiàn)任哥倫比亞大學(xué)博士后研究員的Purushottam Dixit和現(xiàn)任杜塞爾多夫大學(xué)博士后研究員的Tin Yau Pang。Dixit，Pang和Maslov，同時(shí)也是Bliss Faculty Scholar和Carl R. Woese基因組生物學(xué)研究所和國家超級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心的成員，澄清了保持細(xì)菌物種粘性或驅(qū)使它走向的條件。多樣性。
這項(xiàng)工作的起源是馬斯洛夫和他的同事F. William Studier之間的偶然互動(dòng)，他是布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室著名的生物學(xué)家。研究人員和其他人正在探索不同大腸桿菌菌株的基因組序列，并且通過觀察發(fā)現(xiàn)兩種菌株之間序列差異的數(shù)量 - 基因組的某些區(qū)域變化顯著 - 超過預(yù)期的變化而引起了興趣。
馬斯洛夫被這一發(fā)現(xiàn)所提出的難題所吸引，并最終幫助該小組得出結(jié)論，序列差異很大的區(qū)域可以通過重組來解釋，這種機(jī)制允許細(xì)菌細(xì)胞從鄰居那里獲得DNA片段并將它們整合到自己的基因組中。 。
“我是一個(gè)有計(jì)算力的人，所以我的動(dòng)機(jī)不是因?yàn)槟硞€(gè)領(lǐng)域必然會(huì)對(duì)問題產(chǎn)生興趣。所以，如果這是一個(gè)謎題，我想盡可能地破解它，”馬斯洛夫說。即使在與Studier合作出版后，馬斯洛夫繼續(xù)被這一發(fā)現(xiàn)提出的問題所吸引?！拔覀兿胍私饧?xì)菌物種是如何形成的，以及使它們保持連貫的力量。”
作為一名物理學(xué)家，馬斯洛夫把這個(gè)問題放在宇宙學(xué)的術(shù)語中：在微生物的范圍內(nèi)，突變，基因組序列中的機(jī)會(huì)錯(cuò)誤如何擴(kuò)展應(yīng)變中發(fā)現(xiàn)的變異，與重組的結(jié)合“重力”相比如何?他和他的共同作者在不斷增長的細(xì)菌基因組數(shù)據(jù)公共數(shù)據(jù)庫的幫助下開始回答這個(gè)問題。
“在重組事件發(fā)生后，兩個(gè)細(xì)菌基因組在一段基因組序列中立即變得相同，這意味著它們?cè)谀撤N意義上更加接近...... [但]如果你有兩個(gè)細(xì)菌序列彼此分開太遠(yuǎn)，他們只是失去了相互重組的能力，“馬斯洛夫說?！拔覀兊哪繕?biāo)是試圖更全面地了解細(xì)菌物種的維護(hù)問題?！?br />
馬斯洛夫和他的共同作者開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，該模型捕獲了細(xì)菌進(jìn)化的基本要素：群體中個(gè)體對(duì)之間存在的基因組多樣性水平，機(jī)會(huì)突變率和重組能力。該模型量化了所有這些因素之間的關(guān)系，因?yàn)樗鼈冇绊懠?xì)菌群體內(nèi)的基因組序列。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些因素之間的平衡在兩個(gè)不同的狀態(tài) - 亞穩(wěn)態(tài)和分歧 - 之間產(chǎn)生了相當(dāng)明顯的分歧。
“相關(guān)的主要參數(shù)......是特定基因組生物與其自身物種成員重新組合的頻率，以及總體種群大小，因此根據(jù)這兩個(gè)變量，您可以有兩種制度，或者馬斯洛夫說，在這種情況下，重組發(fā)生得非常頻繁，以至于你有一個(gè)長期存在的連貫物種，或者你有這種狀態(tài)，它會(huì)分裂成亞種。
換句話說，頻繁的重組事件可以使細(xì)菌群體保持在亞穩(wěn)狀態(tài)，即使在許多代的過程中也不太可能發(fā)生物種形成。突變率可以超過重組的均質(zhì)效應(yīng)的較大群體將快速分化。但馬斯洛夫強(qiáng)調(diào)，在足夠長的時(shí)間范圍內(nèi)，物種形成與宇宙的擴(kuò)張一樣不可避免。
“遲早會(huì)發(fā)生一次異常事故，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)物種之間的遺傳距離超過一定閾值時(shí)，它們實(shí)際上失去了重組的能力，”他說。“新物種將會(huì)形成 - 因此更多的問題是我們目前稱之為細(xì)菌物種的特定實(shí)體能活多久?！?br />
通過闡明細(xì)菌物種形成的基本特征，這項(xiàng)工作解決了有關(guān)進(jìn)化的基本問題，并最終有助于追蹤和預(yù)防致病病原體的耐藥性或毒力的發(fā)展。