推動進化的力量可能并不像我們想象的那么隨機

基因突變的隨機性意味著進化在很大程度上是不可預測的。但最近的研究表明，這可能并不完全如此，基因之間的相互作用在決定基因組如何變化方面發揮的作用比預期的要大。

眾所周知，基因組的某些區域是比其他人更有可能是可變的但現在的一項新研究表明，物種的進化歷史也可能在使突變更可預測方面發揮作用。

“這項研究的意義是革命性的，”說諾丁漢大學進化生物學家詹姆斯·麥金納尼（James McInerney）。

“通過證明進化并不像我們曾經想象的那樣隨機，我們為合成生物學、醫學和環境科學的一系列可能性打開了大門。

諾丁漢大學生物學家艾倫·比萬（Alan Beavan）及其同事利用人工智能的計算能力研究了2000多個完整的基因組。大腸桿菌細菌。

細菌在改變它們的DNA時特別棘手，相當擅長從環境中竊取基因并將它們整合到他們的基因組中。稱為水平基因轉移，該過程使細菌能夠隨時獲得新的性狀，例如巧妙地避開抗生素 - 無需討厭地等待選擇，從而需要跨代工作。

奇怪的是，屬于同一基本組的水平轉移基因最終可以停在細菌基因組的不同位置。通過研究不同位置的水平基因，研究人員能夠看到基因的直接環境如何影響它們。

他們能夠測試著名的進化生物學家斯蒂芬·J·古爾德（Stephen J. Gould）的思想實驗：重播一盤進化史的錄像帶，每次都會導致不同的、不可預測的結果，因為進化路徑取決于不可預測的事件。

如果這是真的，細菌的基因組在獲得新的水平基因后會繼續隨機進化。但是，在這些基因獲取事件發生后，人工智能在數千次“磁帶回放”中發現了可預測性的模式。

“我們發現，當特定的其他基因家族已經存在時，一些基因家族從未出現在基因組中，而在其他情況下，一些基因非常依賴于存在不同的基因家族。解釋諾丁漢大學微生物學家瑪麗亞·羅莎·多明戈-薩納內斯。

這個網絡有多個單獨的簇，我們可以在其中推斷基因之間的正負關系。pic.twitter.com/rlZrXECvNH

— 瑪麗亞·羅莎·多明戈·薩納內斯 （@blackpassiflora）1月 5， 2024

因此，基因組的歷史，即它當時擁有哪些基因，可以決定它將來會擁有或不會擁有哪些基因。我們之前已經通過緊密物理定位在遺傳分子上的基因（連接基因）看到了這一點的跡象，但這些基因也發生在細菌基因組上沒有密切物理聯系的基因上。

“進化的某些方面是確定性的——也就是說，每次我們重播錄像帶時，它們都可能發生。確認Beavan和團隊在他們的論文中。“基因的存在與否僅根據基因組中的其他基因是可以預測的。例如，假設的基因A可能僅在沒有基因C的情況下預測基因B的存在。

這不會違反隨機突變的規則;更重要的是，自然選擇的力量也在分子水平上起作用，直到最近我們才有計算能力完全看到這一點。從本質上講，基因組本身就是它們自己的微觀生態系統，其中基因可以相互幫助或阻礙。

因此，在倒帶磁帶時大腸桿菌每次進化仍然會揭示不同的進化軌跡，也會有成百上千個可預測的事件，在重復觀看中會出現清晰的模式。

“例如，從這項工作中，我們可以開始探索哪些基因'支持'抗生素耐藥基因。解釋比萬。

“因此，如果我們試圖消除抗生素耐藥性，我們不僅可以靶向焦點基因，還可以靶向其支持基因。

這項研究發表在PNAS國際科學院院刊.

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