Nature：基因组学分析揭示细菌进化的自然选择过程

2012/11/23 04:17:02

近日，来自密歇根州立大学的研究者通过研究，阐述了有机体进化出新功能循序渐进的过程。这项研究刊登在了国际杂志_Nature_上。文章中研究者通过一种深入的基因组分析技术揭示了，大肠杆菌如何用额外的葡萄糖来补给柠檬酸盐循环过程。

研究者Zachary表示，起初以柠檬酸盐代谢的大肠杆菌并不能够在柠檬酸盐的条件下生长，然而随着时间的延续，其就能慢慢在这种环境中生存，我们希望理解细菌是如何进化出这种能力的。当环境中存在氧气时，大肠杆菌（E.coli）并不能消化柠檬酸盐。大肠杆菌不能使用柠檬酸盐，因为其并不能表达合适的蛋白质来消化这些柠檬酸盐分子。

本文研究中，研究者通过对大肠杆菌超过56，000个进化的世代进行研究，发现33，000个世代的细菌都可以使用柠檬酸盐。研究者对大肠杆菌不同世代突变株的29个基因组进行了比较分析，揭示了细菌进化出代谢柠檬酸盐能力的三步过程。

第一个阶段是增强作用，大肠杆菌菌株积累突变，当达到至少两种突变后，就进入了第二阶段，这个阶段中当细菌开始利用柠檬酸盐时，其根本不会慢慢利用，而是彻底利用完，最后一个阶段：精炼，使得细菌中发生的突变进一步改善以利于细菌生存。经历了这三个阶段后，大肠杆菌就开发出了利用新的食物源的本领，使其再为生物群落中占据主导地位。

实际上菌株中的突变非常复杂，其包括细菌部分DNA的重新装配，从而产生菌体从来不存在的调节元件，新型的调节元件就会产生一些新型蛋白质，这些蛋白质就可以使得细菌在氧气存在的情况下也可以消化柠檬酸盐。

编译自：Genomics analysis demonstrates natural selection at work

 

Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population

doi: 10.1038/nature11514

Zachary D. Blount, Jeffrey E. Barrick, Carla J. Davidson & Richard E. Lenski

Evolutionary novelties have been important in the history of life, but their origins are usually difficult to examine in detail. We previously described the evolution of a novel trait, aerobic citrate utilization (Cit+), in an experimental population of Escherichia coli. Here we analyse genome sequences to investigate the history and genetic basis of this trait. At least three distinct clades coexisted for more than 10,000 generations before its emergence. The Cit+ trait originated in one clade by a tandem duplication that captured an aerobically expressed promoter for the expression of a previously silent citrate transporter. The clades varied in their propensity to evolve this novel trait, although genotypes able to do so existed in all three clades, implying that multiple potentiating mutations arose during the population’s history. Our findings illustrate the importance of promoter capture and altered gene regulation in mediating the exaptation events that often underlie evolutionary innovations.

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