科学家发现进化的关键机制：全基因组复制驱动长期适应

有时，最重要的科学发现是偶然发生的。科学家们早就知道，全基因组复制（WGD）——生物体复制其所有遗传物质的过程——在进化中起着重要作用。但是，对于WGD是如何产生、持续和驱动适应的理解仍然很差

在一个意想不到的转折中，佐治亚理工学院的科学家不仅揭示了WGD是如何发生的，而且还揭示了它是如何在实验室的数千代进化中保持稳定的。

这项新研究由生物科学学院教授William Ratcliff和Ratcliff实验室的前博士生Kai Tong领导，他现在是波士顿大学的博士后研究员

他们的论文《长期多细胞进化实验中的基因组复制》于3月作为该杂志的封面故事发表在《自然》杂志上

拉特克利夫说：“我们开始探索生物体如何向多细胞过渡，但发现WGD在这一过程中的作用完全是偶然的。”。“这项研究为WGD如何出现、如何长期持续以及如何推动进化创新提供了新的见解。这真的很令人兴奋。”

数据中隐藏着一个秘密

2018年，拉特克利夫的实验室启动了一项探索开放式多细胞进化的实验。多细胞长期进化实验（MuLTEE）使用“雪花”酵母（酿酒酵母）作为培养基，将其从单细胞进化为越来越复杂的多细胞生物。研究人员通过每天选择更大尺寸的酵母细胞来做到这一点

童说：“这些长期的进化研究帮助我们回答了关于生物体如何适应和进化的大问题。”。“它们经常揭示意想不到的东西，并扩大我们对进化过程的理解。”

拉特克利夫实验室的研究教员Ozan Bozdag注意到雪花酵母中有一些不寻常的东西时，情况就是这样。Bozdag在酵母1000天大时观察了它，并看到了一些特征，表明它可能已经从二倍体（有两套染色体）变成了四倍体（有四套染色体）

几十年的实验室实验表明，四倍体的特征是不稳定的，在几百代内就会恢复到二倍体。出于这个原因，童怀疑WGD是否已经在MuLTEE发生并持续了数千代。如果这是真的，这将是WGD首次自发出现并在实验室中持续存在。在对进化的酵母进行测量后，Tong发现它们很早就复制了基因组——在MuLTEE的前50天内。引人注目的是，这些四倍体基因组持续了1000多天，尽管WGD在实验室条件下通常不稳定，但它们仍继续茁壮成长

研究小组发现，WGD的出现和存在是因为它使酵母在生长更大、更长的细胞和形成更大的多细胞簇方面具有直接优势，这在MuLTEE的尺寸选择中是有利的

进一步的实验表明，虽然雪花酵母中的WGD通常不稳定，但它在MuLTEE中持续存在，因为较大的多细胞簇具有生存优势。这种稳定性使酵母能够发生遗传变化，非整倍性（染色体数量异常的情况）在多细胞发育中起着关键作用。因此，MuLTEE成为运行时间最长的多倍体进化实验，为基因组复制如何导致生物复杂性提供了新的见解

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MuLTEE才华横溢的团队Ratcliff强调，严谨的本科生研究在他们意想不到的突破中发挥了关键作用。拉特克利夫说：“这种真实的研究经历改变了我们学生的生活和职业生涯。”。“你无法在课堂上获得这种水平的学习。”Vivian Cheng在第一年加入拉特克利夫实验室，并于2022年毕业，她与另一名学生一起接受了基因工程二倍体和四倍体酵母菌株的挑战。Ratcliff和Tong最终将这些相同的菌株作为他们分析的主要部分

“这项工作是朝着理解促进多细胞进化的各种因素迈出的又一步，”程说，他现在是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的博士生。“看到这种倍性水平的单一因素如何影响这些酵母细胞的选择，真是太酷了。”Ratcliff指出，当他们开始MuLTEE时，他的团队的一些最重要的发现是无法预料的。但这就是重点，他说

他补充道：“这些实验中最深远的结果往往是我们不打算研究的结果，但这些结果出乎意料地出现了。”。“他们突破了我们认为可能的界限。”他和助理教授詹姆斯·斯特劳德在同一期《自然》杂志上发表的一篇关于进化生物学长期实验的综述中进一步阐述了这一主题

这一发现为全基因组复制的进化动力学提供了新的视角，并为探索此类遗传事件的后果提供了独特的机会。这项工作有可能推动进化生物学的未来发现，是理解生命如何在短期和长期尺度上进化的重要一步

“科学进步很少是一个直截了当的过程，”童说。“相反，它沿着各种相互关联的路径展开，经常以令人惊讶的方式聚集在一起。正是在这些十字路口，才有了最激动人心的发现。”