酵母菌絕處逢生的演化實驗

在生物細胞這個生命工廠中,有許多維持生命的重要機器,例如負責遺傳訊息傳遞的RNA聚合酶 (RNA polymerase) 與RNA剪接體(Spliceosome)。RNA聚合酶負責產生RNA前驅物(pre-mRNA),再經由RNA剪接體將RNA前驅物剪接成為成熟的RNA(mature RNA)。基因體研究中心張典顯研究團隊問了一個問題:若這些細胞中RNA剪接體這部機器壞了,要如何修復? 藉由回答這個問題,研究團隊希望可以更了解細胞工廠運轉的邏輯與生物系統的演化。

利用酵母菌,他們做了一個縮時演化實境秀:讓缺少了必要生長基因(Essential Genes)的酵母菌在實驗室演化,產生適應型突變.藉由後續的基因體定序、轉錄體分析、和適應突變的重建,研究團隊發現,演化後的酵母菌可藉由讓RNA剪接(Splicing)和轉錄(Transcription)同時降低速率,進而重新優化其基因的表現。此研究結果發表在國際學術期刊《自然生態演化》(Nature Ecology and Evolution) 。

 2018Experimental Evolution Press Fig1
圖一、利用實驗演化的方式來修復生物系統

 

酵母菌是真核生物,除了釀酒與烘培之外,它也是研究分子生物學的模式生物之一。它有約六千個基因,其中有一千多個基因已知是不可或缺的,也就是所謂的「必要基因」,從基因組定序完成後,科學界已發現,這一千多個「必要基因」存在於大多數的生物體內,是群古老的基因.因此也得到一個結論:「必要基因」是生物基因體內最重要且最核心的一群基因。

然而,張典顯博士之前的研究發現了一個意外卻有趣的現象:一個「必要基因」PRP28,居然可以被刪除!「PRP28」產生的蛋白質屬於RNA剪接體中不可或缺的一員,但張典顯博士發現,在ㄧ個RNA剪接系統有突變的酵母菌株中,沒有PRP28這個必要基因的酵母菌仍然可以存活。

本研究的第一作者張尚麟博士加入研究團隊後發現,少了PRP28的酵母菌,只要溫度一降低,就會死亡。於是,他開始思考,『即使失去了PRP28,有沒有辦法仍然活得很好?失去ㄧ個必要基因之後,生物系統要如何補償這個損失?』

利用失去PRP28的酵母菌,在實驗室裡演化了300個世代之後,他們發現,演化後的酵母菌可以藉由降低RNA聚合酶行轉錄作用的速度,進而恢復了該有的RNA剪接能力,最後,可以回到健康的狀態下,存活下去。

 2018Experimental Evolution Press Fig2

圖二、生物系統藉由系統內的交互作用來修復損壞的RNA剪接體系統:降低RNA轉錄作用的速度讓
RNA剪接的效率提升。

 

這個實驗的結果顯示,在生物基因體內錯綜複雜的基因表現路徑中,不同步驟的互相影響(例如:RNA轉錄與RNA剪接),可以被引用成為生物系統優化的ㄧ種方法。這個結果指出,生物體演化出錯綜復雜的基因網絡,對於生物系統的重組再造,是一種可以利用的好處,這也提供了系統生物學者在設計生物系統時一個新的參考方向。

本研究其他的共同作者為台灣大學基因體與系統生物學程博士班學生王宣凱,以及基因體研究中心博士後研究員董璐。

本研究論文全文可於Nature Ecology and Evolution網頁閱讀: https://www.nature.com/articles/s41559-018-0684-2

張老師並受邀於 Nature Research Ecology & Evolution Community 撰文,以提供廣大非相關領域讀者,能夠輕鬆地得到生命演化議題上的最新知識,和討論與分享的空間。https://natureecoevocommunity.nature.com/channels/521-behind-the-paper/posts/39098-how-can-you-mend-a-broken-cell-let-experimental-evolution-show-you-how

 20181108teamMember
團隊成員:(由右到左)張典顯副研究員、張尚麟博士後研究員、董璐博士後研究員、王宣凱博士班學生

 

 

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