PNAS：利用大肠杆菌合成生物学系统发现跳跃基因的奥秘

　　伊利诺伊大学香槟分校的科学家们设计了一个使用大肠杆菌的合成生物学系统，实时观察到了活细胞内的跳跃基因活动。这为理解跳跃基因机制提出了新思路。

　　这一研究成果公布在PNAS杂志上，由美国国家科学基金会物理前沿中心活细胞物理中心的物理学教授Thomas Kuhlman和Nigel Goldenfeld合作完成。

　　“跳跃基因”无处不在。每个生命领域都携带这些DNA序列，它们沿着一条染色体从一个位置“跳”到另一个位置；事实上，有接近一半的人类基因组是由跳跃基因组成的。根据它们特定的切除和插入点，跳跃基因可能中断或引发基因表达，从而驱动基因突变，并导致细胞的多样化。自从上个世纪40年代它们被发现以来，研究人员已经能够研究这些跳跃基因的行为，它们通常被称为转座子或转座因子(TE)，科学家主要通过间接方法，从大部分结果推断出单个跳跃基因的活动。然而，这样的技术不够敏感，不能准确地确定转座子如何或为什么跳跃，以及什么因素引发了它们的活动。

　　Kuhlman的研究团队进行了体内实验，他指出：“在这项研究中，较之以前的研究，我们看到了比预期更多的跳跃基因正在活动。更重要的是，我们发现这些基因跳跃的频率，敏感地依赖于细胞如何生长——例如是否有可用的食物让细胞生长。换句话说，跳跃基因激活并不是完全随机的，它依赖于环境的反馈。”

　　为了在活细胞中观察这些独特的细胞进化事件，Kuhlman的团队设计了一个使用大肠杆菌的合成生物学系统。科学家们把编码荧光蛋白（在这项研究中，是蓝色和黄色荧光蛋白）的报告基因的表达，与转座子的跳跃活动结合起来。然后，科学家们可以使用荧光显微镜直观地记录转座子的活动。

　　Kuhlman说：“这些基因在一个细胞的基因组内跳跃和改变位置。这种活动相当于一个分子系统，这样，当它们开始跳跃时，整个细胞会发出荧光。在我们的实验中，细胞在它们不太高兴的时候发出最多的荧光。一种学派表明，在这种不快乐的情况下，这样一种增加的突变率，对多样化的细胞来说可能是一个优势。”

　　为了帮助设计实验，并推断“如果跳跃以一种纯粹随机的模式发生时会是什么情况”，Goldenfeld的研究团队开发了细菌菌落生长的计算机模拟，并预测在随机的情况下实验信号会是什么样子。这些计算表明，实验不能仅仅被理解为随机转座子活动，甚至能提供非随机性来源的线索，包括环境反馈和遗传。

　　Goldenfeld说：“我们的工作涉及大量的计算图像分析，其次是统计分析。为了从原始数据中提取信号和结论，模拟和理论计算对于实验设计和解释是很很重要的。只有利用活细胞物理学中心提供的独特结构，才使得这类合作项目成为可能。”

　　Kuhlman补充说：“最首要的长期研究目标是，在分子水平上深入了解进化是如何运作的。直接观察细胞内的基因组如何重组自我，可让我们精确测定适应率，并可能揭示了一系列重要的进化问题——从生命的出现到癌症的传播，在这些过程中细胞经历了快速突变，并转换了它们的基因组。”