科学家们意外发现了进化中的关键机制：全基因组复制如何驱动长期适应。

日期：2025年3月26日 来源：Georgia Institute of Technology 概要：科学家揭示了全基因组复制（Whole-genome duplication, WGD）如何在实验室中经过数千代的演变而出现并保持稳定的。

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有时，最重要的科学发现往往是偶然发生的。

科学家们早就知道全基因组复制 (WGD)——生物体复制其所有遗传物质的过程——在进化中起着重要作用。但对于 WGD 如何产生、持续存在并驱动适应，人们的理解仍然不足。

在一次意想不到的转变中，Georgia Tech 的科学家们不仅揭示了 WGD 如何发生，还揭示了它如何在实验室中经过数千代的进化而保持稳定。

这项新研究由 School of Biological Sciences 的教授 William Ratcliff 和 Ratcliff 实验室的前博士生 Kai Tong 领导，Kai Tong 现在是 Boston University 的博士后研究员。

他们的论文“Genome duplication in a long-term multicellularity evolution experiment”作为 Nature 杂志的封面故事于 3 月发表。

Ratcliff 说：“我们原本打算探索生物体如何向多细胞性转变，但发现 WGD 在这个过程中的作用完全是偶然的。” “这项研究为 WGD 如何出现、长期存在并推动进化创新提供了新的见解。这真是令人兴奋。”

隐藏在数据中的秘密

2018 年，Ratcliff 的实验室启动了一项实验，以探索开放式的多细胞进化。多细胞长期进化实验（Multicellular Long-Term Evolution Experiment, MuLTEE）使用“雪花”酵母 (Saccharomyces cerevisiae) 作为媒介，将其从单细胞进化为越来越复杂的多细胞生物。研究人员通过每天选择较大尺寸的酵母细胞来实现这一点。

Tong 说：“这些长期进化研究帮助我们回答关于生物体如何适应和进化的大问题。” “它们经常揭示意想不到的事情，并扩展我们对进化过程的理解。”

Ozan Bozdag 是 Ratcliff 实验室的研究人员，他注意到雪花酵母中一些不寻常的东西。Bozdag 观察到这种酵母在 1000 天大时，其特征表明它可能已经从二倍体（具有两组染色体）变为四倍体（具有四组染色体）。

几十年的实验室实验表明，四倍体通常是不稳定的，会在几百代内恢复为二倍体。因此，Tong 怀疑 WGD 是否在 MuLTEE 中发生并持续存在了数千年。如果这是真的，这将是 WGD 首次自发产生并在实验室中持续存在。

在测量了进化后的酵母后，Tong 发现它们在 MuLTEE 的最初 50 天内非常早就复制了它们的基因组。引人注目的是，这些四倍体基因组持续存在了 1000 多天，尽管 WGD 在实验室条件下通常不稳定，但它们仍在继续茁壮成长。

该团队发现，WGD 出现并持续存在，因为它使酵母在生长更大、更长的细胞和形成更大的多细胞簇方面立即获得了优势，这在 MuLTEE 的大小选择中受到青睐。

进一步的实验表明，虽然雪花酵母中的 WGD 通常是不稳定的，但它在 MuLTEE 中持续存在，因为更大的多细胞簇具有生存优势。这种稳定性使酵母能够发生遗传变化，其中非整倍性（染色体数量异常的情况）在多细胞性的发展中起着关键作用。因此，MuLTEE 成为运行时间最长的多倍体进化实验，为基因组复制如何促进生物复杂性提供了新的见解。

才华横溢的 MuLTEE 团队

Ratcliff 强调，严谨的本科生研究在他们的意外突破中发挥了关键作用。四名本科生在佐治亚理工学院接受教育的早期就加入了这项研究，他们对实验的成功至关重要。

Ratcliff 说：“这种真实的科研经验对于我们的学生来说是改变生活和职业生涯的。” “你在课堂上无法获得这种程度的学习。”

Vivian Cheng 在一年级时加入了 Ratcliff 的实验室，并于 2022 年毕业，她与另一名学生一起承担了对二倍体和四倍体酵母菌株进行基因工程改造的挑战。Ratcliff 和 Tong 最终将这些菌株用作他们分析的主要部分。

Cheng 现在是 University of Illinois Urbana-Champaign 的博士候选人，他说：“这项工作是朝着理解导致多细胞性进化的各种因素迈出的又一步。” “看到这种单一的倍性水平因素如何影响这些酵母细胞的选择，真是太酷了。”

Ratcliff 指出，他的团队的一些最重要的发现是他们在开始 MuLTEE 时无法预测到的。但他说，这正是关键所在。

他补充说：“这些实验中最具深远意义的结果通常是那些我们原本不打算研究，但却意外出现的结果。” “它们突破了我们认为可能的界限。”他和助理教授 James Stroud 在同一期 Nature 杂志上发表的关于进化生物学长期实验的回顾中扩展了这一主题。

这项发现为全基因组复制的进化动力学提供了新的视角，并提供了一个独特的机会来探索此类遗传事件的后果。凭借其推动未来进化生物学发现的潜力，这项工作代表了在理解生命如何在短期和长期尺度上进化方面的重要一步。

Tong 说：“科学进步很少是一帆风顺的。” “相反，它沿着各种相互关联的路径展开，并且经常以令人惊讶的方式汇集在一起。正是在这些十字路口，才会有最激动人心的发现。”