基因组分析大肠杆菌如何获得新功能

生物通, 2012年09月21日

来自密歇根州立大学的一个研究人员小组证实生物体在一步一步的过程中进化出了新功能。研究结果发布在最新一期（9月20号）的《自然》（Nature）杂志上，通过全面深入、以基因组学为基础的分析译解了大肠杆菌是怎样想出如何利用一个额外的柠檬酸过程来补充常规的葡萄糖饮食的。

密歇根州立大学进行中进化研究BEACON 中心博士后研究人员Zachary Blount 说：“它相当漂亮地看到了一个新生物功能的进化。第一个柠檬酸盐食者只能勉强在柠檬酸上生长，随着时间它们变得越来越好。我们想了解使细菌进化出这一新能力的改变。我们幸运地获得了一个系统允许我们这样做。”

当存在氧时正常大肠杆菌不能消化柠檬酸。事实上，这是大肠杆菌的一个显著的特征。因为大肠杆菌不能表达适当的蛋白来吸收柠檬酸分子，因而它们不能食用柠檬酸。

为了破译负责的突变，Blount与密西根州立大学著名的微生物学和分子遗传学教授Richard Lenski一起展开了合作。Lenski自1988年起长期开展试验，培育快速增长的大肠杆菌培养物。他和他的队友们研究了超过5.6万代细菌的进化。
该试验证实自然选择起了作用。由于样品被冻存，可提供给以后的研究，当有新东西出现时科学家们能够追溯更早的一代寻找沿着一路发生的步骤。

Lenski解释说：“我们第一次看到柠檬酸利用细菌在大约3.3万代。但是Zack通过重演来自不同中间阶段的进化证实一些重要的突变在此之前就已经发生。他证实你可以再进化柠檬酸食者，但只有在拼图的其他一些碎片处在适当位置之后。”

在Nature论文中，Blount和他的队友们分析了来自不同代的29个基因组发现了拼图的突变碎片。他们揭示了细菌形成这一能力的三步过程。

第一个阶段是增强作用，此时大肠杆菌累积至少两个突变为后续事件打好基础。第二步是实现，细菌首先开始食用柠檬酸，但只能勉强轻咬一点。最后一个阶段是完善，有关的突变大大地提高了最初薄弱的功能。这使得柠檬酸食者能够狼吞虎咽它们的新食物资源，成为种群中的优势者。

Blount 说：“我们尤其对实现阶段感到兴奋。实际有关的突变是相当复杂的。它重排了细菌的部分DNA，生成了从前没有的新调控模块。这一新模块导致生成了一种蛋白质，使得细菌能够在有氧时将柠檬酸带到细胞中。这是大肠杆菌的新把戏。”

这一变化是很不正常的，Lenski说。

他说：“这根本不是一种典型的突变。基因组中并非只有一个碱基对、一个碱基被改变，而是部分的基因组被复制以致两个DNA组块以一种新方式组合到了一起。一个组块编码一种使柠檬酸进入细胞的蛋白，另一个组块引起该蛋白质表达。”