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模拟进化以了解隐藏的开关

对数万代进化的细胞进行的计算机模拟揭示了为什么某些生物保留了废弃的开关机制,该机制在严重的压力下会开启,从而改变了它们的某些特性。维持这种“隐藏”开关是生物体在正常条件下保持高度基因表达稳定性的一种手段。

番茄虫幼虫在较热的区域为绿色,因此容易伪装,而在较冷的温度为黑色,因此它们可以吸收更多的阳光。在某些生物中发现的这种现象称为表型转换。通常会隐藏此开关,以响应危险的遗传或环境变化而激活。

科学家通常通过调查生物在不同世代经历的变化来研究这一过程。例如,几年前,一个团队繁殖了几代烟草天蛾幼虫,以观察和诱导类似于番茄天蛾亲属发生的颜色变化。

KAUST计算生物学家高鑫说:“在合理的假设基础上并在谨慎的控制下进行的计算机模拟是一种非常强大的工具,可以模拟真实情况。” “这有助于科学家观察和理解原本很难通过湿实验室实验来观察的原理。”

Gao和KAUST的研究科学家桑原裕之(Hiroyuki Kuwahara)设计了计算机模拟1000种无性微生物的进化过程。每个生物都有一个基因回路模型来调节特定蛋白质X的表达。

模拟使人口超过90,000世代。最初的创始种群具有相同的非转换基因回路,并且在稳定的条件下进化了3万多代,统称为古代种群。接下来的30,000世代,称为中等人口,处于每20世代切换一次的动荡环境中。最后的30,000代,即衍生种群,处于稳定的环境中。

在稳定环境中进化的古代和衍生种群中的个体,其基因表达水平均经过优化以达到稳定。但是它们是不同的:古代人口的稳定性不涉及表型转换,而衍生人口的稳定性涉及表型转换。Kuwahara解释说,这种差异源于中产阶级,在中产阶级中,为了应对波动的条件,人们倾向于转换。

模拟表明,有机体种群通过逐步发展低阈值开关(在波动的情况下很容易转换)到环境更稳定时转换为高阈值开关,从而在长期的环境稳定性中维持其开关机制。

Kuwahara说,这比通过微小的突变转移回到非切换状态要容易得多。Kuwahara说:“相反,我们最终得到了一种'隐藏的'表型转换,它像进化电容器一样起作用,可以存储基因变异并在发生严重扰动时释放其他表型。”

该团队接下来计划使用计算机模拟来研究更复杂的生物系统,同时还与进行湿实验室实验的研究人员进行互动合作。他们的目的是开发可以通过实验验证的理论框架。

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