不在DNA中:單細(xì)胞古細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳學(xué)

內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了革命性的證據(jù)，證明在復(fù)雜生物中發(fā)揮作用的進(jìn)化現(xiàn)象也在單細(xì)胞和極端愛好的同類中發(fā)揮作用。

物種通常通過連續(xù)幾代人遺傳的基因突變而進(jìn)化。幾十年前，研究人員開始發(fā)現(xiàn)多細(xì)胞物種也可以通過表觀遺傳學(xué)進(jìn)化：這些特征不是由于遺傳變異，而是由于控制生物體DNA獲取的細(xì)胞蛋白的遺傳。

因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)可以對生物環(huán)境的變化做出反應(yīng)，表觀遺傳學(xué)依賴于自然和培養(yǎng)之間的弱邊界。它的證據(jù)只能在真核生物中找到，也就是說，包括動物、植物和其他幾個(gè)王國在內(nèi)的多細(xì)胞生命領(lǐng)域。

然而，來自內(nèi)布拉斯加州的索菲佩恩(Sophie Payne)、保羅布盧姆(Paul Blum)和他們的同事進(jìn)行的一系列實(shí)驗(yàn)表明，表觀遺傳學(xué)可以傳達(dá)一種古細(xì)菌的極端耐酸性：微小的單細(xì)胞生物，與真核生物和細(xì)菌具有相同的特征。

內(nèi)布拉斯加州生物科學(xué)教授查爾斯貝瑟說：“令人驚訝的是，它存在于這些相對原始的生物中，我們知道它們是古老的。“我們一直認(rèn)為這是一個(gè)新事物(從進(jìn)化的角度)。但表觀遺傳學(xué)并不是地球上的新生命。”

研究小組在硫龍蝦中發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，硫龍蝦是一種吃硫的物種，在黃石國家公園沸騰的醋酸泉水中茁壯成長。通過在幾年內(nèi)將該物種暴露于不斷增加的酸度水平，研究人員已經(jīng)進(jìn)化出三個(gè)菌株，它們的耐受性比它們的黃石祖先高178倍。

一個(gè)菌株進(jìn)化出的抗性，其DNA沒有突變，而另外兩個(gè)菌株的互斥基因有突變，不會導(dǎo)致耐酸。當(dāng)研究小組破壞了控制抗性相關(guān)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)時(shí)——讓DNA本身保持不變——后代的抗性突然消失了。

布盧姆說：“我們預(yù)測它們會發(fā)生突變，我們將追蹤這些突變，這將告訴我們是什么導(dǎo)致了極端的耐酸性?！暗@不是我們發(fā)現(xiàn)的?！?

盡管表觀遺傳學(xué)對人體中一些最具生產(chǎn)力和破壞性的生理過程至關(guān)重要——細(xì)胞分化成大約200種類型，也就是癌癥的發(fā)生——但在真核生物中仍然很難研究。

Blum說，古細(xì)菌的簡單性以及它們的細(xì)胞在某些重要方面與真核生物相似的事實(shí)，應(yīng)該讓研究人員能夠比以前更快、更便宜地研究表觀遺傳問題。

布魯姆說：“我們不知道是什么改變了人類表觀遺傳特征的轉(zhuǎn)變?！拔覀儺?dāng)然不知道如何經(jīng)常扭轉(zhuǎn)這種局面。這是我們要追求的第一件事：如何打開它，如何關(guān)閉它，如何讓它改變。這對你有好處。思考(管理)我們的特性或植物特性?！?

佩恩說，這一發(fā)現(xiàn)也提出了一些問題，特別是關(guān)于真核生物和古細(xì)菌如何采用表觀遺傳學(xué)作為遺傳方法的問題。

生物科學(xué)博士生佩恩說，“也許他們都擁有它，因?yàn)樗麄儾煌趽碛兴墓餐嫦??！薄耙苍S它可能進(jìn)化了兩次。從進(jìn)化的角度來看，這是一個(gè)非常有趣的概念。”

布盧姆說，研究小組同樣好奇表觀遺傳學(xué)是否以及如何解釋為什么沒有已知的古細(xì)菌會導(dǎo)致疾病，或者用細(xì)菌等抗生素武裝他們的兄弟。

“那個(gè)世界上沒有抗生素，”他說。“為什么會這樣？我們認(rèn)為這與表觀遺傳學(xué)有關(guān)，因此它們之間的相互作用與細(xì)菌有著根本的不同。”

布盧姆說，這一發(fā)現(xiàn)也引入了一個(gè)更廣泛的問題。

“它們有什么好處？我們不知道。”

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