基因的「選擇特徵」協助偵測細菌的天擇

Gene's 'selective signature' aid s detection of natural selection in microbial evolution
http://www.physorg.com/news125064830.html

March 18, 2008

MIT 的科學家提出一種數學上的方法，同時為一組在生態上互異的物種，分析一種蛋白質，以確認在某種生物演化中天擇的發生。

這種新方法決定一個基因的「選擇特徵」，亦即，橫跨一群物種的基因，其快速或緩慢演化的模式，並利用這種特徵來推論基因功能，或著將變化映射到生態學上的轉變。

藉由顛倒平常的探究次序 -- 研究一種生物，接著嘗試確認哪些基因涉及某種特殊功能 -- 科學希望能利用將近 2500 種已定序完畢的微生物，加速對微生物演化的了解。

"藉由跨物種的比較，我們尋找基因中的改變，那反應出天擇並接著問道：「這種基因與那些物種所存在的生態有何關連？」" Eric Alm 說，公民與環境工程系 Doherty 海洋使用助教授。"這種選擇訊號方法亦允許我們聚焦在單一物種上，並更加了解它的選擇壓力。"

"我們希望其他研究者將接受這種工具，並將它應用到一組基因組已完全定序的相關物種，以了解生態分歧的遺傳基礎，" 畢業生 B. Jesse Shapiro 說，他與 Alm 所共同完成的一篇論文發表在 2 月號的 PLoS Genetics。

他們的研究亦指出，演化發生在具有作用的分子（functional modules）上 -- 這些基因或許沒有並列在基因組上，不過所編碼的蛋白質卻能完成類似的功能。

"當我們看見類似結果在某種路徑中橫跨所有基因時，那指出基因組的景觀或許被組織到有作用的分子中，甚至是在天擇的層次上，" Alm 說。"若此為真，或許在一個細胞上了解複雜的演化壓力，會比所預期的更加容易。"

"在單個物種中，相同模組中的整組基因傾向於一起改變，" Shapiro 說。"確認這些改變讓我們更進一步了解一個物種中選擇的生態基礎，以及在遺傳層次上的改變如何影響這個物種與其環境的互動。"

例如，在 Idiomarina loihiensis 中（一種海生細菌，那已經適應在海底地獄般的 (sulfurous，形容很炙熱) 熱液噴口附近生活）涉及糖新陳代謝以及苯丙胺酸（phenylalanine）這種胺基酸的基因已經歷過顯著的改變（超過數億年），那能幫助種細菌從胺基酸而非糖獲得碳，這是在那種生態利基上生活所必需的。在 I. loihiensis 的一種姊妹物種，Colwellia psychrerythraea（一種嗜冷細菌）中，某些同樣的基因已經全然喪失，這指出糖的新陳代謝對 Colwellia 而言已不再重要。

Shapiro 與 Alm 聚焦在 30 種 gamma-proteobacteria 物種中（那在 10 - 20 億年前共有一個同樣的祖先）的 744 種蛋白質家族上。這些細菌包含實驗室模型生物大腸桿菌（E. coli）以及蚜蟲的細胞內寄生生物、能引起霍亂那類細菌的病原體還有土壤與植物細菌。他們從祖先映射每種物種的演化距離並結合關於此基因家族的資訊（例如，重要蛋白的演化比非不可或缺的要慢）以及某一特定物種基因組的正常演化速率，以便能夠決定一個基因的選擇特徵。

"這些是我們永遠無法在實驗室當中完成的實驗，" Alm 說。"不過大自然已將基因置入一種環境中，並在數十億年間，執行演化實驗。我們正在做的事是挖掘這些資料，看看基因是否完成類似的功能，譬如運動性（motility），在不同物種間以相同速率演化。那將幫助我們了解核心基因的改變如何驅使橫跨生命之樹的物種間，功能上的分歧。"

※ 相關報導：

＊ Comparing Patterns of Natural Selection across Species Using Selective Signatures
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.0040023

Shapiro BJ, Alm EJ
PLoS Genetics 4(2): e23, Feb. 2008
doi: 10.1371/journal.pgen.0040023

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