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高突变率限制了大肠杆菌中的进化适应

作者:Kathleen Sprouffske, José Aguilar-Rodríguez, Paul

变异是进化的基础。没有它,进化就不可能发生,因为变异提供了选择和遗传漂变所必需的遗传变异。

每一个新的突变可以增加个体的体质,降低其适应性,或者对其适应性没有影响。在自然界中,遗传变化通常会增加系统的突变率,包括病毒、细菌到人类肿瘤。

不幸的是,大多数具有适应效应的突变是有害的,而适应性增加的有益突变只构成了所有可能突变的一小部分。

突变率本身可以进化,因为它在“突变率基因组”中容易受到基因改变,这是编码DNA复制和修复系统的一部分。

通过在实验室中的最小培养基中发育无性大肠杆菌的多个复制群体,我们阐述了一系列的突变率对适应的长期影响,以及突变率本身的演变。

许多研究已经证实了在一定条件下突变率可以进化。例如,最近的环境变化为新的适应和新的有益突变创造机会之后,具有突变等位基因的细胞比具有野生型突变率的细胞更可能产生大的有益突变效果。

由于其改善的适应度,细胞系与新获得的有利等位基因(及其连锁的突变体等位基因)可以在人群中增加频率。

因此,当突变等位基因乘机与有利突变联系一起时,超突变很容易进化。

然而,长期而言,超突变可能是有害的,因为大多数非中性突变具有有害的后果。

因此,具有较高突变率的个体可能会累积更多有害突变,这可能导致更低的适合度。

我们尝试提供一个独特的、全面的经验数据集,跨越一系列的突变率,包括全基因组人口测序数据,突变率数据,和合适的方法,在不同的环境中。

我们研究了大肠杆菌的基因组突变率高达100倍的增加如何影响适应性进化。

为此,我们设计了四个同基因大肠杆菌K12 MG1655衍生菌株,增加其突变率,并在一个串联转移实验中,每个菌株经过3000个世代,进化了八个复制群体。

我们测量了进化种群在原始环境中生长的能力,以及在超过90个新的化学环境中的能力。

通过一种估计方法,基因组变异率在这些菌株中相差超过一百倍,每基因组、每代的点突变,从U=0.00034到U=0.036。

在进化过程中,我们周期性地表征每个种群的生长速率和固定种群密度。我们还分析了在各种应激环境中进化种群的适应性。

种群的高通量测序让我们可以描述种群通过序列空间传播的程度,并研究在每个种群中发生的突变。

我们对种群进行全基因组群体测序。虽然具有较高突变率的群体积累了更大的遗传多样性,但这种多样性只为适度增加的突变率带来了益处,在某些新的环境中,种群适应的速度更快,也比它们的祖先更茁壮。

与此相反,在突变率最高的一些种群,在进化过程中显示适应减少,并且在所有90种替代环境中都未能茁壮成长。此外,他们经历了突变率的急剧下降。

我们的研究表明,突变率改变了有害和有益的突变之间的整体平衡。

与大多数理论模型相比,我们的实验表明,这个临界点已经存在于自然界中被发现的适度突变率中。突变在生物学中具有重要的意义。

我们的研究表明,有害突变以比以前认为的更低的突变率来限制适应。

高突变率限制了大肠杆菌中的进化适应


图1是实验设计总结。增加突变率,在最小培养基中进化了175天(约3000代),我们为四个同基因大肠杆菌菌株中的每一个进化出了八个独立的复制种群。

突变率,根据突变对利福平抗性的估计,在原始菌株之间最低和最高突变率有139倍的差异。

我们将这些菌株称为MRS、MRM、MRL和MRXL,小S,中M,大L,特大XL,突变率MR。

在37℃下,2mL的基本培养基中,我们将32个复制群体进化,每天将它们100000倍稀释到新鲜培养基中。

由于菌株之间载量不同,菌群密度不同,名义上有效的进化复制的菌群大小也有差异,范围在42500-92800之间。

我们发现,具有较高突变率的群体通常具有较低的有效群体大小。

我们对0代, 1000代, 2000代和3000代的进化种群的样本进行全基因组覆盖测序。

我们测量了突变率,以及在压力环境中0代和3000代的生长。我们还定期测量最大生长率和生长曲线作为合适的替代。


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参考文献

High mutation rates limit evolutionary adaptation in Escherichia coli

Kathleen Sprouffske, José Aguilar-Rodríguez, Paul Sniegowski, Andreas Wagner

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