国家生物科学中心 DNA的三维模型
信用:迈克尔·斯特里克/维基媒体/ GNU自由文档许可 生活世界的巨大多样性以及它是如何形成的一直是人类探索的主题
经过几个世纪的探索，寻找我们在周围生物中看到的平等和差异的基础，过去的一个世纪见证了生物学中的一些惊人发现，今天生命的中心法则已经向我们揭示:脱氧核糖核酸制造核糖核酸，核糖核酸制造蛋白质(对更复杂的事件序列的简单看法)
蛋白质组(细胞的总蛋白质含量)与环境因素一起共同影响生物的“特征”或特性，这些特征在群体中的个体之间有所不同
在一个种群中，具有更适合其环境的特征的个体比它们的竞争对手有更高的生存和繁殖机会，因此通过自然选择的筛选，最终将这些“适应性”特征传递给下一代
携带每种特征的个体数量的变化，无论是由于自然选择还是简单的偶然(遗传漂变)，都是经过几代人累积的，这就是种群如何随时间进化的
我们可能会认为这种对变异和进化的简单化观点是整个故事的全部，但是连接基因型和表型以及进化的道路很难如此简单
根据中心教条的逻辑，居住在相同环境中的具有相同基因型的个体应该具有相同的表型
但总是这样吗？例如，想想双胞胎
同卵双胞胎是由子宫内的胚胎分裂而生的
这意味着它们两个身体中的所有细胞都来源于一个受精卵(受精卵细胞)，因此具有相同的基因序列
然而，如果你看得足够近，你会发现外表上的细微差别，通过这些差别你可以分辨出即使在同一环境中长大的同卵双胞胎
不管这些差异的来源是什么，绝对不是基因
那么，这样的差异从何而来，是否影响了生存和适应？ 具有相同遗传组成的群体的表型变异可归因于非遗传来源，包括细胞外部(环境)和内在机制
一个这样的细胞固有的非遗传来源包括基因表达的随机误差
很像中国人的悄悄话游戏，细胞在将信息从脱氧核糖核酸复制到核糖核酸和从核糖核酸复制到蛋白质时会出错，以至于最终的蛋白质序列并不总是准确地代表它所来源的原始基因序列
中文悄悄话的细胞游戏中，很大一部分错误来自基因表达级联的最后一步，即把核糖核酸翻译成蛋白质的过程，因为它的错误率非常高(~ 1/104)
从理论上讲，显然可以假设翻译错误将导致蛋白质组的异质性，在群体中产生广泛的表型变异，这将使个体对相同的环境要求做出不同的反应，从而帮助群体更好地适应它
但是这个假设有很多陷阱！首先，细胞有许多策略来保护自己不被蛋白质误译，因此翻译中的错误不一定会导致表型变异
其次，蛋白质生产误差是随机的和不可预测的，由此产生的可变性最有可能对已经针对特定环境进行了优化的群体产生不适应的后果
第三，蛋白质组水平的可变性是不可遗传的，因此甚至可能不会持续几代人以在进化时间尺度上产生影响
那么，我们明显的假设实际上是不正确的吗？ 为了给这些推测提供一些经验基础，来自德国的研究人员拉西亚·萨姆希塔和帕斯·拉瓦尔
迪帕·阿迦舍在NCBS的实验室转向我们的老朋友，肠道细菌大肠杆菌
大肠杆菌。他们通过基因和环境操作改变了细菌中的整体误译率(蛋白质翻译错误率)，并评估了它如何影响种群水平的参数，如生长率、滞后时间和生长产量
为了在单细胞水平上测量表型变异，他们与来自瑞典的研究员戈德温·斯蒂芬森博士合作
沙希·图帕利在NCBS的实验室
戈德温仔细研究了E个人
捕获在微流体装置通道内的大肠杆菌细胞，用于研究误译率的操作如何影响单细胞参数，如细胞长度(指示细胞的生理状态)和分裂时间(指示细菌的繁殖速率)
结果很有意思！E
被修饰的具有较高误译率的大肠杆菌在细胞长度和分裂时间上表现出较高的可变性，而当误译率降低时观察到相反的情况
然而，不可思议的是，在人口水平的增长参数中，误译水平和变异性之间并没有一致的相似关系
这些结果验证了更高的误译会导致更高的表型变异的预测，解决了我们假设中的第一个问题
然而，研究结果提出了另一个问题:为什么误译和单细胞变异之间的相关性在人群水平上不成立？也许单个细胞水平的变异性是可预测的，并且在群体间是一致的，因此它是均衡的，不会表现为群体间的变异
或者可能增加的细胞间可变性导致产生更多的具有次优表型的细胞，这些细胞最终由于选择而从群体中被消除，因此不能对群体生长率等参数做出贡献
可能有不同的可能性，但我们还不能说哪一个是正确的
既然我们已经对误译如何影响变异性有了一些概念，让我们继续我们的第二个假设，看看误译引起的变异性对人群来说是适应性的还是不适应性的
拉西亚和帕思发现，在最佳环境条件下，误译引起的变异的增加和减少对细菌都是不利的
为了搞清楚这一观察意味着什么，当试图在蛋白质翻译的准确性和速度之间取得平衡时，想象细胞在走钢丝
就像过多的误译很可能导致严重的蛋白质畸形而无法正常工作一样，超精确意味着蛋白质生产中非常缓慢和校准的步骤，这可能会延长细胞分裂时间，从而减缓种群增长
所以，任何一个方向的倾斜都会使细胞从绳子上掉下来
然而，令人惊讶的是，当面临高温或饥饿等压力环境时，误译细胞往往能更好地存活
这是有道理的，因为误译越高，可变性就越高，人口中的一些个体更适合紧张的环境条件的可能性就越高
需要注意的是，这只是一个假设
因此，尽管较高的变异性被认为与压力下较高的存活率有关，但尚不清楚这两者之间的关系是直观的直接因果关系，还是将它们联系起来的间接途径在起作用
更重要的是，仅仅是改变误译率的一个短暂的初始脉冲就足以引发更好的跨代压力生存；我们假设的第三个问题是，误译的影响是否可以代代相传！最后这一观察是奇怪的，因为仅仅由于蛋白质组的改变而产生的变异性不应该是遗传的
这一观察背后的原因可能是多方面的，但要得出任何明确的结论将需要进一步的实验
所以，到目前为止，这个问题还没有定论
该研究是为数不多的将细胞过程中的错误与可变性和进化联系起来的尝试之一
“翻译错误会增加与适应性相关的性状的表型变异，这一发现令人兴奋，并与进化有潜在关联
未来的工作应该告诉我们更多关于这种观察对自然细菌种群的意义，”拉西亚·萨姆希塔说，他是这项研究的论文的主要作者
因此，尽管这项研究解决了进化生物学中的一些关键问题，它也揭示了一些新的问题
为什么误译导致的细胞间差异不会在群体间水平上表现出来？误译率较高的细胞如何在压力条件下更好地存活？蛋白质组异质性如何在细胞分裂的几代中持续存在？有一个答案的宝箱，也许还有更多问题，等待发掘
当我们继续扮演侦探探索自然的时候，我们必然会遇到许多这样的问题和“显而易见”的假设
但是当我们这样做的时候，要记住的重要事情是我们最喜欢的咨询侦探夏洛克·福尔摩斯的一句格言:“没有什么比一个显而易见的事实更具欺骗性
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