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中研院基因体中心发现绝处逢生的演化奥祕
2020-06-15

中研院基因体中心发现绝处逢生的演化奥祕

生物失去必要基因,也能演化求生。

酵母菌是真核生物,就像人类细胞,除了用来酿酒与烘焙,也是分子生物学研究的重要模式生物。它约有 6,000 个基因,其中 1,000 多个基因是不可或缺的「必要基因」(Essential gene)。这些「必要基因」也存在于人类体内,所以它们不仅是群古老的基因,也是生物基因体内最重要且最核心的一群基因。如果这些必要基因一旦剔除,细胞必死无疑。可是,中央研究院基因体研究中心张典显副主任的研究团队发现:代誌不是憨人想的那幺简单。

中研院基因体中心发现绝处逢生的演化奥祕

在一次实验,张典显研究团队意外发现有趣的现象:一个必要基因 PRP28 可被删除,而酵母菌居然还活着!这是怎幺办到的?

本研究是台湾首篇被刊载于国际学术期刊《自然生态演化》(Nature Ecology and Evolution)的文章,该期刊为《Nature》子期刊,中研院基因体研究中心 8 日举办记者会说明。

第一作者张尚麟博士表示,负责剪接 RNA 的剪接体 (Spliceosome)中,「PRP28」是不可或缺的零组件。当失去「PRP28」,RNA 剪接无法进行,细胞就会死掉。张典显团队发现,将「PRP28」搭配的零组件进行互补性改变,细胞就可以不需要「PRP28」。但这种缺少「PRP28」的酵母菌因为 RNA 剪接效率低,导致生长比较差。本论文第一作者张尚麟博士进一步探询,这种生长比较差的酵母菌能否再回到原本充满活力的生长状态?也就是说,当永远失去一个必要基因之后,生物系统要如何应变以弥补损失?

利用酵母菌,他们做了一次缩时演化实境秀:让缺少必要生长基因的酵母菌在实验室演化,产生适应性突变,并一路观察生长速度是否加快,最后达到最佳状态。失去「PRP28」的酵母菌经过 300 个世代演化之后,出乎意料回到健康状态,上演了绝处逢生的大惊奇戏码。

研究团队深入调查后,发现演化后的酵母菌可藉由降低上游转录(Transcription)效率,让转录与 RNA 剪接(Splicing)再度同步化,像一种负负得正的概念,藉此重新优化细胞整体基因的表现。

这个实验结果显示,生物系统有许多错综複杂的基因表现路径,不同步骤可互相影响(例如:RNA 转录与 RNA 剪接),让我们更了解细胞运转的逻辑与生物系统的演化。这个观念可运用到生物系统优化,提供未来设计调控生物系统的新路径。比如说,开发治疗疾病的药物时,可针对标的物上下游调整,以达到系统整体平衡。

论文已于今年 11 月登上国际学术期刊《自然生态演化》(Nature Ecology and Evolution),共同作者包括:台湾大学基因体与系统生物学程博士班学生王宣凯,以及基因体研究中心博士后研究员董璐。

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台湾大学基因体与系统生物学程博士班学生王宣凯(左起)、基因体研究中心董璐博士、张尚麟博士、张典显副主任。


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