中研院基因體中心發現絕處逢生的演化奧祕

作者 | 發布日期 2018 年 11 月 08 日 16:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly

生物失去必要基因,也能演化求生。



酵母菌是真核生物,就像人類細胞,除了用來釀酒與烘焙,也是分子生物學研究的重要模式生物。它約有 6,000 個基因,其中 1,000 多個基因是不可或缺的「必要基因」(Essential gene)。這些「必要基因」也存在於人類體內,所以它們不僅是群古老的基因,也是生物基因體內最重要且最核心的一群基因。如果這些必要基因一旦剔除,細胞必死無疑。可是,中央研究院基因體研究中心張典顯副主任的研究團隊發現:代誌不是憨人想的那麼簡單。

在一次實驗,張典顯研究團隊意外發現有趣的現象:一個必要基因 PRP28 可被刪除,而酵母菌居然還活著!這是怎麼辦到的?

本研究是台灣首篇被刊載於國際學術期刊《自然生態演化》(Nature Ecology and Evolution)的文章,該期刊為《Nature》子期刊,中研院基因體研究中心 8 日舉辦記者會說明。

第一作者張尚麟博士表示,負責剪接 RNA 的剪接體 (Spliceosome)中,「PRP28」是不可或缺的零組件。當失去「PRP28」,RNA 剪接無法進行,細胞就會死掉。張典顯團隊發現,將「PRP28」搭配的零組件進行互補性改變,細胞就可以不需要「PRP28」。但這種缺少「PRP28」的酵母菌因為 RNA 剪接效率低,導致生長比較差。本論文第一作者張尚麟博士進一步探詢,這種生長比較差的酵母菌能否再回到原本充滿活力的生長狀態?也就是說,當永遠失去一個必要基因之後,生物系統要如何應變以彌補損失?

利用酵母菌,他們做了一次縮時演化實境秀:讓缺少必要生長基因的酵母菌在實驗室演化,產生適應性突變,並一路觀察生長速度是否加快,最後達到最佳狀態。失去「PRP28」的酵母菌經過 300 個世代演化之後,出乎意料回到健康狀態,上演了絕處逢生的大驚奇戲碼。

研究團隊深入調查後,發現演化後的酵母菌可藉由降低上游轉錄(Transcription)效率,讓轉錄與 RNA 剪接(Splicing)再度同步化,像一種負負得正的概念,藉此重新優化細胞整體基因的表現。

這個實驗結果顯示,生物系統有許多錯綜複雜的基因表現路徑,不同步驟可互相影響(例如:RNA 轉錄與 RNA 剪接),讓我們更了解細胞運轉的邏輯與生物系統的演化。這個觀念可運用到生物系統優化,提供未來設計調控生物系統的新路徑。比如說,開發治療疾病的藥物時,可針對標的物上下游調整,以達到系統整體平衡。

論文已於今年 11 月登上國際學術期刊《自然生態演化》(Nature Ecology and Evolution),共同作者包括:台灣大學基因體與系統生物學程博士班學生王宣凱,以及基因體研究中心博士後研究員董璐。

▲ 台灣大學基因體與系統生物學程博士班學生王宣凱(左起)、基因體研究中心董璐博士、張尚麟博士、張典顯副主任。

(首圖來源:pixabay