通过模拟进化来理解隐藏的基因开关

进化计算机模拟

利用建立在合理假设和谨慎控制下的计算机模拟,计算生物科学家可以模拟真实的生物条件。从最初的种群(古代阶段)开始,他们可以通过几千代的进化来发展一个中间阶段,然后再通过几千代的进化来发展一个衍生阶段。资料来源:©2021 KAUST;阿纳斯塔西娅金丝雀

有些生物演变了一个内部开关,可以保持几代内部隐藏,直到压力闪烁它。

计算机模拟的细胞进化数万代,揭示了为什么一些生物保留了一个废弃的开关机制,在严重的压力下打开,改变了它们的一些特性。维持这个“隐藏”开关是生物体在正常条件下保持基因表达高度稳定的一种手段。

番茄角虫幼虫在较温暖的地区呈绿色,这使得伪装更容易;而在较凉爽的地区则呈黑色,这样它们可以吸收更多的阳光。这种现象在一些生物体内被称为表型转换。这种开关通常是隐藏的,但当危险的基因或环境变化发生时,它就会被激活。

科学家们通常通过在许多世代的不同情况下调查有机体经历的变化来研究这个过程。例如,几年前,一支团队培育了几代烟草Hornworm幼虫,观察和诱导与番茄角虫亲属发生的颜色变化相似。

“计算机模拟,当建立在合理的假设和谨慎的控制下,是一个非常强大的工具来模拟真实的情况,”考斯特的计算生物科学家Xin Gao说。“这有助于科学家观察和理解通过湿实验很难或不可能观察到的原理。”

高和KAUST研究科学家Hiroyuki Kuwahara设计了一个计算机模拟1000个无性微生物的进化过程。每个生物体都有一个基因回路模型来调节特定蛋白X的表达。

模拟在90,000多代的人口中发展出来。原始的创始人群具有相同的非开关基因电路,并在稳定的条件下统称为30,000多世代,统称古代人口。接下来的30,000代称为中间人口,暴露于每20代交换的波动环境。最终的30,000代,衍生的人口,暴露于稳定的环境。

在稳定环境中演变的古代和衍生人口中的人员都具有针对稳定性优化的基因表达水平。但他们是不同的:古代人口的稳定性没有涉及表型切换,而派生人口的做法。差异,解释了Kuwahara,源于中间群,其中有利于处理波动条件。

仿真表明,通过逐渐发展的低阈值开关在长期发展的低阈值开关中,在长期的环境稳定性方面,在长阈值开关更稳定时,可以在长期的环境稳定性方面保持其开关机器。

Kuwahara说,这比通过小的突变变化恢复到非转换状态要容易。Kuwahara说:“相反,我们最终得到了一种‘隐藏的’表型转换,它就像进化的电容器,储存遗传变异,并在发生重大干扰时释放替代的表型。”

该团队下次计划使用计算机模拟研究更复杂的生物系统,同时也与进行湿实验室实验的研究人员交互式合作。他们的目标是开发可以通过实验验证的理论框架。

参考:“隐藏式交换机的稳定维护作为提高基因表达稳定性的策略”,由Hiroyuki Kuwahara和Xin Gao,14月2021日,自然计算科学
DOI:10.1038 / s43588-020-00001-y

是第一个评论论“模拟进化以了解隐藏的遗传交换机”

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