“跳躍基因”無處不在。生命的每個(gè)領(lǐng)域都有這些DNA序列，這些DNA序列可以沿染色體從一個(gè)位置“跳”到另一個(gè)位置; 事實(shí)上，近一半的人類基因組由跳躍基因組成。根據(jù)其特定的切除和插入點(diǎn)，跳躍基因可以中斷或觸發(fā)基因表達(dá)，驅(qū)動(dòng)基因突變并促進(jìn)細(xì)胞多樣化。自20世紀(jì)40年代發(fā)現(xiàn)以來，研究人員已經(jīng)能夠研究這些跳躍基因的行為，通常稱為轉(zhuǎn)座子或轉(zhuǎn)座因子(TE)，主要通過間接方法從個(gè)體結(jié)果中推斷個(gè)體活動(dòng)。然而，這些技術(shù)不夠敏感，無法確切地確定轉(zhuǎn)座子如何或?yàn)楹翁S，以及哪些因素觸發(fā)它們的活動(dòng)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的科學(xué)家在“美國國家科學(xué)院院刊”上發(fā)表的報(bào)告中，觀察到活細(xì)胞內(nèi)的基因活動(dòng)實(shí)時(shí)跳躍。該研究是物理學(xué)教授Thomas Kuhlman和Nigel Goldenfeld在國家科學(xué)基金會(huì)物理前沿中心活細(xì)胞物理中心的共同努力。

“在這項(xiàng)研究中，我們能夠看到實(shí)際上有更多的這種跳躍基因動(dòng)作正在進(jìn)行，而不是以前的研究所預(yù)期的，”庫爾曼說，他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。“更重要的是，我們了解到這些基因跳躍的速率依賴于細(xì)胞如何生長 - 例如，如果有可用于細(xì)胞生長的食物，換句話說，跳躍基因激活并非完全隨機(jī)，它取決于環(huán)境反饋。“

為了觀察活細(xì)胞中的這些個(gè)體細(xì)胞進(jìn)化事件，Kuhlman的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種使用細(xì)菌大腸桿菌的合成生物系統(tǒng)?？茖W(xué)家將熒光報(bào)告基因的表達(dá)與轉(zhuǎn)座子的跳躍活動(dòng)結(jié)合起來，這些基因編碼(在這種情況下，藍(lán)色和黃色)熒光蛋白。然后，科學(xué)家可以使用熒光顯微鏡在視覺上記錄轉(zhuǎn)座子活性。

“這些基因可以跳躍并改變細(xì)胞基因組中的位置，”庫爾曼說。“我們將這種活動(dòng)掛鉤到一個(gè)分子系統(tǒng)，這樣當(dāng)它們開始跳躍時(shí)，整個(gè)細(xì)胞發(fā)出熒光。在我們的實(shí)驗(yàn)中，細(xì)胞發(fā)出的熒光最多，當(dāng)它們不是很開心時(shí)。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為突變率增加了在這種不愉快的條件下，這可能是一個(gè)優(yōu)勢，因?yàn)榧?xì)胞可以多樣化。“為了幫助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并計(jì)算如果跳躍以純粹隨機(jī)的方式發(fā)生會(huì)發(fā)生什么，Goldenfeld的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了細(xì)菌菌落生長的計(jì)算機(jī)模擬，并預(yù)測了實(shí)驗(yàn)信號(hào)在隨機(jī)情況下的樣子。這些計(jì)算表明，實(shí)驗(yàn)不能簡單地解釋為隨機(jī)轉(zhuǎn)座子活性，甚至提供了關(guān)于非隨機(jī)性來源的線索，包括環(huán)境反饋和遺傳。

“我們的工作涉及大量的計(jì)算圖像分析，其次是統(tǒng)計(jì)分析，”Goldenfeld說。“為了從原始數(shù)據(jù)中提取信號(hào)和結(jié)論，模擬和理論計(jì)算是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和解釋的組成部分。這種協(xié)作項(xiàng)目實(shí)際上只有在活細(xì)胞物理中心提供的獨(dú)特結(jié)構(gòu)下才有可能。”

“最重要的長期研究目標(biāo)是更深入地了解進(jìn)化如何在分子水平上發(fā)揮作用。直接觀察細(xì)胞中基因組如何重組自身，可以精確確定適應(yīng)率，并可以闡明一系列重要的進(jìn)化問題，從生命的出現(xiàn)到癌癥的傳播，細(xì)胞經(jīng)歷快速突變和基因組的轉(zhuǎn)化，“庫爾曼補(bǔ)充說。

Kuhlman和Goldenfeld是伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校Carl R. Woese基因組生物學(xué)研究所和物理系的成員。這項(xiàng)工作涉及多名研究生，包括主要作者Hyuneil Kim，Gloria Lee，Nicholas Sherer和Michael Martini。