推动进化的力量可能并不像我们想象的那么随机

基因突变的随机性意味着进化在很大程度上是不可预测的。但最近的研究表明，这可能并不完全如此，基因之间的相互作用在决定基因组如何变化方面发挥的作用比预期的要大。

众所周知，基因组的某些区域是比其他人更有可能是可变的但现在的一项新研究表明，物种的进化历史也可能在使突变更可预测方面发挥作用。

“这项研究的意义是革命性的，”说诺丁汉大学进化生物学家詹姆斯·麦金纳尼（James McInerney）。

“通过证明进化并不像我们曾经想象的那样随机，我们为合成生物学、医学和环境科学的一系列可能性打开了大门。

诺丁汉大学生物学家艾伦·比万（Alan Beavan）及其同事利用人工智能的计算能力研究了2000多个完整的基因组。大肠杆菌细菌。

细菌在改变它们的DNA时特别棘手，相当擅长从环境中窃取基因并将它们整合到他们的基因组中。称为水平基因转移，该过程使细菌能够随时获得新的性状，例如巧妙地避开抗生素 - 无需讨厌地等待选择，从而需要跨代工作。

奇怪的是，属于同一基本组的水平转移基因最终可以停在细菌基因组的不同位置。通过研究不同位置的水平基因，研究人员能够看到基因的直接环境如何影响它们。

他们能够测试著名的进化生物学家斯蒂芬·J·古尔德（Stephen J. Gould）的思想实验：重播一盘进化史的录像带，每次都会导致不同的、不可预测的结果，因为进化路径取决于不可预测的事件。

如果这是真的，细菌的基因组在获得新的水平基因后会继续随机进化。但是，在这些基因获取事件发生后，人工智能在数千次“磁带回放”中发现了可预测性的模式。

“我们发现，当特定的其他基因家族已经存在时，一些基因家族从未出现在基因组中，而在其他情况下，一些基因非常依赖于存在不同的基因家族。解释诺丁汉大学微生物学家玛丽亚·罗莎·多明戈-萨纳内斯。

这个网络有多个单独的簇，我们可以在其中推断基因之间的正负关系。pic.twitter.com/rlZrXECvNH

— 玛丽亚·罗莎·多明戈·萨纳内斯 （@blackpassiflora）1月 5， 2024

因此，基因组的历史，即它当时拥有哪些基因，可以决定它将来会拥有或不会拥有哪些基因。我们之前已经通过紧密物理定位在遗传分子上的基因（连接基因）看到了这一点的迹象，但这些基因也发生在细菌基因组上没有密切物理联系的基因上。

“进化的某些方面是确定性的——也就是说，每次我们重播录像带时，它们都可能发生。确认Beavan和团队在他们的论文中。“基因的存在与否仅根据基因组中的其他基因是可以预测的。例如，假设的基因A可能仅在没有基因C的情况下预测基因B的存在。

这不会违反随机突变的规则;更重要的是，自然选择的力量也在分子水平上起作用，直到最近我们才有计算能力完全看到这一点。从本质上讲，基因组本身就是它们自己的微观生态系统，其中基因可以相互帮助或阻碍。

因此，在倒带磁带时大肠杆菌每次进化仍然会揭示不同的进化轨迹，也会有成百上千个可预测的事件，在重复观看中会出现清晰的模式。

“例如，从这项工作中，我们可以开始探索哪些基因'支持'抗生素耐药基因。解释比万。

“因此，如果我们试图消除抗生素耐药性，我们不仅可以靶向焦点基因，还可以靶向其支持基因。

这项研究发表在PNAS国际科学院院刊.

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