基因突变的随机性意味着进化在很大程度上是不可预测的。 但最近的研究表明情况可能并不完全如此，基因之间的相互作用在决定基因组如何变化方面发挥着比预期更大的作用。
众所周知，基因组的某些区域， 但现在的一项新研究表明，一个物种的进化史也可能在使突变变得更可预测方面发挥作用。
“这项研究的意义是革命性的，”说诺丁汉大学进化生物学家詹姆斯·麦金纳尼。
“通过证明进化并不像我们曾经想象的那样随机，我们为合成生物学、医学和环境科学的一系列可能性打开了大门。”
诺丁汉大学生物学家 Alan Beavan 及其同事利用人工智能的计算能力研究了 2000 多个完整的基因组。大肠杆菌细菌。
细菌在改变 DNA 方面特别狡猾，非常擅长并将它们整合到基因组中。 作为。。而被知道水平基因转移，这个过程使细菌能够随时获得新的特性，例如巧妙地避开抗生素——无需烦人地等待选择，以便跨代发挥作用。
奇怪的是，属于同一基本组的水平转移基因最终可能会停在细菌基因组的不同位置。 通过研究不同位置的水平基因，研究人员能够了解基因的直接环境如何影响它们。
他们能够测试著名进化生物学家斯蒂芬·J·古尔德的思想实验：重放进化历史的磁带每次都会导致不同的、不可预测的结果，因为进化路径取决于不可预测的事件。
如果这是真的，那么细菌的基因组在获得新的水平基因后将继续随机进化。 但在这些基因获取事件发生后，人工智能在这数千次“磁带重播”中发现了可预测的模式。
“我们发现，当某个特定的其他基因家族已经存在时，一些基因家族从未出现在基因组中，而在其他情况下，一些基因在很大程度上依赖于不同基因家族的存在，”解释诺丁汉大学微生物学家玛丽亚·罗莎·多明戈-萨纳内斯。
这个网络有多个单独的簇，我们可以在其中推断基因之间的正向和负向关系。pic.twitter.com/rlZrXECvNH
— 玛丽亚·罗莎·多明戈·萨纳内斯 (@blackpassiflora)2024 年 1 月 5 日
因此，基因组的历史，即当时拥有哪些基因，可以决定未来将拥有或不拥有哪些基因。 我们之前已经通过物理上紧密定位在遗传分子上的基因丢失或获得在一起（连锁基因）看到了这种迹象，但这种情况也发生在与细菌基因组没有紧密物理联系的基因上。
“进化的某些方面是确定性的——也就是说，它们很可能在我们每次重放磁带时发生，”确认Beavan 和团队在他们的论文中。 “基因的存在或不存在只能根据基因组中的其他基因来预测。例如，假设的基因 A 只能在基因 C 不存在的情况下预测基因 B 的存在。”
这并不违反随机突变的规则； 更重要的是，自然选择的力量也在分子水平上发挥作用，直到最近我们才拥有足够的计算能力来完全看到这一点。 本质上是基因组本身就是它们自己的微观生态系统，其中基因可以互相帮助或阻碍。
所以当倒带的时候大肠杆菌进化每次仍然会揭示不同的进化轨迹，也会有数百或数千个可预测的事件，并且在重复观看时会出现清晰的模式。
“例如，通过这项工作，我们可以开始探索哪些基因‘支持’抗生素抗性基因，”解释比万。
“因此，如果我们试图消除抗生素耐药性，我们不仅可以针对焦点基因，还可以针对其支持基因。”
这项研究发表于美国国家科学院院刊。
