导语


绿色荧光蛋白最早在水母体内发现,这种蛋白在蓝光或紫外线照射下,会发出绿色荧光。最近来自苏黎世大学、圣塔菲研究所等的研究者在Science发表文章,通过对荧光蛋白的定向培养实验,发现蛋白质的演化受到选择压力大小的影响。经典的达尔文进化论认为自然选择引起生物适应性变化,进而发生进化,而这项研究则认为适应和选择可能是同步进行的。

Leo | 作者

刘培源 | 审校

邓一雪 | 编辑



自然选择的杰作随处可见——松果球表面的油脂是为了抵御鸟类和啮齿类动进化而来的;长颈鹿的脖子为其提供了觅食高处食物的优势。我们知道自然选择影响了动植物的演化,以及它们对外界环境的适应能力。但是,自然选择也会影响有机物分子的演化么?能影响到什么程度呢?

 

于12月4日发表在 Science 杂志上的文章就这一问题,给出了令人惊讶的答案。该文章由供职于苏黎世大学和圣塔菲研究所的 Andreas Wagner 所领导的研究团队所发表,他们对一种海洋无脊椎动物的黄色莹光蛋白进行了自然选择的实验。


 

论文题目:

Selection enhances protein evolvability by increasing mutational robustness and foldability

论文地址:

https://science.sciencemag.org/content/370/6521/eabb5962


实验目的是让黄色荧光蛋白演化为绿色荧光蛋白,其中一组处于较强的环境压力下、另一组处于较弱的环境压力下。该研究发现,处于较强的环境压力下的蛋白质在这场竞赛中胜出。




强自然选择:与其优柔寡断不如大刀阔斧



 

在自然界,我们会发现生物的种群中能表现出多种表现性,虽然这些生物个体的表型之间有差异,但这种差异在自然界的环境压力下中并不具备很强的优势,带来的收益较少。因此,这时物种的演化并不是主要受到自然选择的影响,而更像是在随机演化。这一理论就被称为弱自然选择(weak selection)理论。我们可以利用弱自然选择理论解释这种多样性的存在,而且演化生物学领域普遍认为弱自然选择能增强鲁棒性,从而对有机体的演化能力具有优势。

 
不过 Wagner 认为,与大众所认知的不同,在自然选择中,并不是弱选择具有优势。在他们的研究中有一个意外的发现,强自然选择能增强鲁棒性,这才是能否成功演化的关键。

      

图1:自然选择驱动的演化,强自然选择能让种群演化绕过适应性的低谷,从而更快地到达适应能力高、鲁棒性强的山顶。

 

适应性景观(adaptive landscapes)在演化理论中占据着重要的位置。如上图所示,横向的坐标表示的是多种性状,而纵轴则表示适应能力的高低。上图假设较强的自然选择能带来较强适应能力,从而让种群的演化得以绕过适应性的低谷。这一点其实与梯度下降等函数求解算法的改进方案类似。




实验证明:自然选择促进物种适应能力



            

图2:实验流程示意图


该实验一共分为两个阶段。

 

第一阶段,研究者对能表达黄色荧光蛋白的大肠杆菌进行了4代定向的演化培养,并在不同的演化压力下对其加以筛选(以浅黄色标记)。其中,S表示的是强自然选择(strong selection),W表示的是弱自然选择(weak selection),而N则是不做自然选择(no selection)。从上图Phase I的三个表格中我们可以发现,与第一代相比,第四代的基因表现都受到了影响。

 

而在第二阶段的绿色莹光蛋白筛选中(以浅绿色标记),实验者仅允许0.01%的大肠杆菌通过筛选。

 

通过这样的筛选实验研究者发现,强自然选择下的蛋白质突变也更加稳定、鲁棒。生成的蛋白质也能够高效地折叠、表达其功能,因此强自然选择能促进新表现型的固定。

 

该论文第一作者、苏黎世大学的 Jia Zheng 认为,这样的研究结果可以说是一个惊喜。因为结果表明,自然选择的适应性与鲁棒性并不冲突。虽然突变会损害蛋白质结构的稳定性并影响蛋白质的正确折叠,但能增强鲁棒性的突变会减轻这种影响。鲁棒性高的蛋白质能发挥其功能的机会就更多,也就能演化出新的性状。

 

“据我所知,这是第一个证明了自然选择可以促进物种适应能力的实验。”Wagner 表示,“虽然演化理论至今仍受人质疑,但是我们不仅从化石中看到了物种演化的痕迹,现在也在实验室中真实地观察到了这一现象。

 

长期以来,生物的演化能力本身是否能够演化就是一个备受争议的话题。一些人认为自然选择并不能直接的影响到物种的演化,而是通过适应性来间接地实现物种演化。Wagner 希望他们的研究对结束这一争议有所帮助。Wagner 说:“现在,我们认为,适应性和自然选择会同时存在。

 


参考资料
https://santafe.edu/news-center/news/natural-selection-plays-major-role-organisms-capacity-evolve-and-adapt


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