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  • Cell Systems:塑造細胞發電站的普遍規則

    【字體: 時間:2022年09月20日 來源:Cell Systems

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      研究人員利用數據科學和計算生物學表明,在整個生命歷史中,線粒體和葉綠體的進化是由相同的“規則”決定的。

      
      

    線粒體是細胞中的隔間,也就是所謂的“細胞器”,為我們的活動、思考和生活提供化學能量。葉綠體是植物和藻類的細胞器,它能吸收陽光并進行光合作用。乍一看,它們可能是兩個截然不同的世界。但是,由卑爾根大學領導的一個國際研究團隊利用數據科學和計算生物學表明,在整個生命歷史中,相同的“規則”塑造了這兩種細胞器——以及更多——的進化過程。

    這兩種細胞器都曾經是獨立的生物,擁有自己完整的基因組。數十億年前,這些生物被其他細胞——現代物種的祖先——捕獲和囚禁。從那時起,細胞器失去了它們的大部分基因組,只有少數基因保留在現代線粒體和葉綠體DNA中。這些剩余的基因是生命所必需的,在許多毀滅性的疾病中也很重要,但為什么它們留在細胞器DNA中——而其他許多基因已經丟失了——人們爭論了幾十年。

    為了從新的角度來看待這個問題,科學家們采用了數據驅動的方法。他們收集了生命中所有細胞器DNA的測序數據。然后,他們使用建模、生物化學和結構生物學來表示關于基因保留的一系列不同假設,作為與每個基因相關的一組數字。他們使用數據科學和統計學的工具,詢問哪些想法可以最好地解釋他們編譯的數據中保留的基因模式——用看不見的數據來測試結果,以檢查其效力。

    “從模型中出現了一些清晰的模式,”卑爾根大學的博士后研究員、該論文的聯合第一作者Kostas Giannakis解釋說!昂芏噙@樣的基因編碼了更大的細胞機器的亞單位,它們像拼圖一樣組合在一起。拼圖中間部分的基因最有可能留在細胞器DNA中!

    研究小組認為,這是因為保持對這種中央亞單位生產的局部控制有助于細胞器快速對變化做出反應——這是所謂的“CoRR”模型的一個版本。他們也為其他現存的、爭論的和新的觀點找到了支持。例如,如果一個基因產物是疏水的——很難從外部導入到細胞器中——數據顯示它經常被保留在那里。使用更強結合的化學基團編碼的基因也更容易被保留下來——也許是因為它們在細胞器的惡劣環境中更強壯。

    “過去,這些不同的假設通常被認為是相互競爭的,”卑爾根大學教授、該團隊的負責人伊恩?約翰斯頓(Iain Johnston)表示!暗珜嶋H上沒有單一的機制可以解釋所有的觀察結果——它需要綜合起來。這種不偏不倚、數據驅動的方法的優點在于,它可以表明許多觀點在一定程度上是正確的,但沒有一個觀點是完全正確的——這或許可以解釋圍繞這些話題的長期爭論!

    令他們驚訝的是,研究小組還發現,他們用來描述線粒體基因的模型也預測了葉綠體基因的保留,反之亦然。他們還發現,形成線粒體和葉綠體DNA的相同遺傳特征似乎也在其他內共生體的進化中發揮了作用,這些內共生體是最近被其他宿主捕獲的有機體,從藻類到昆蟲。

    “那是一個令人驚嘆的時刻,”約翰斯頓說!拔覀兒推渌硕加羞@樣的想法,即類似的壓力可能適用于不同的細胞器的進化。但看到這種普遍的、定量的聯系——來自一個細胞器的數據精確地預測了另一個細胞器的模式,以及更近期的內共生體的模式——真的令人震驚!

    這項研究是由歐洲研究委員會資助的一個更廣泛項目的一部分,該團隊現在正在研究一個平行的問題——不同的生物體如何保持它們所保留的細胞器基因。線粒體DNA突變可能導致毀滅性的遺傳性疾病;該團隊正在使用建模、統計和實驗來探索這些突變是如何在人類、植物和其他動物身上處理的。

    文章標題

    Evolutionary inference across eukaryotes identifies universal features shaping organelle gene retention


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