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生物系统冗余的好处

从工程师的角度来看,生物学往往是混乱和不完美的。例如,冗余是生物系统的一个共同特征,一个生物组件的工作与另一个生物组件的工作重叠。

最近发表在eLife杂志上的一项研究调查了某些类型的生物冗余是否可以——尽管表面上效率低下——实际上是有益的。

翻译:一个高度冗余的生物过程

翻译是一个耗费能量的过程,细胞通过该过程将遗传信息转化为蛋白质。解码过程由核糖体和转移RNA(tRNA)执行。这些重要的生物分子本身被编码在细胞的遗传信息中,通常由几个(有时是数百个)相同的基因拷贝组成。

例如,常用的实验室细菌菌株大肠杆菌K-12MG1655包含7个核糖体RNA(rRNA)基因拷贝和每个tRNA基因多达6个拷贝。起初,这种明显的冗余是出乎意料的;为什么要付出维护大量相同基因拷贝的代价?

一种假设是,更多的基因拷贝可能允许更多或更快地产生核糖体和tRNA,从而导致在支持条件下更快的生长和分裂。为了验证这一假设,国家生物科学中心(印度)的DeepaAgashe小组与马克斯普朗克进化生物学研究所(由JennaGallie领导)的微生物进化动力学小组合作。

大肠杆菌中的翻译冗余水平可以在实验室中进行操作

从大肠杆菌K-12MG1655基因组中去除了各种冗余rRNA和/或tRNA基因拷贝。结果是一组衍生菌株,每个菌株的翻译冗余度都低于原始菌株。生物学测定用于证明基因缺失事件导致成熟tRNA表达减少(通过YAMAT-seq)和/或翻译减慢(通过β-半乳糖苷酶报告基因测定)。

这些结果表明(i)大肠杆菌翻译成分的遗传冗余可以减少,并且(ii)遗传减少反映在成熟的翻译机制中。

在翻译需求增加的情况下,更多的基因拷贝是有益的

所有菌株的生长概况都在不同的环境中进行了测量,在这些环境中,营养物质的可用性从贫乏到丰富不等。一般来说,低冗余菌株在营养缺乏时比原始菌株生长得快,但在营养可自由利用时比原始菌株生长慢。这些结果与最初的假设一致:当翻译缓慢时,遗传冗余是有代价的,而在支持更快翻译和生长的条件下,这种代价会减轻。

这项研究表明,在支持越来越快的翻译和生长的条件下,携带多个rRNA/tRNA基因拷贝可能是有益的。更广泛地说,结果强调(明显的)冗余可以在复杂的生物系统中发挥有益的作用,特别是在不断变化的环境条件下。

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