在微流体通道中（从左到右）生长的大肠杆菌细胞的显微镜延时照片，经历基因拷贝数突变（高强度蓝色荧光：高拷贝数；低强度蓝色荧光/红色荧光：低拷贝数）
图片来源：IST Austria-Guetgroup
根据需要打开和关闭基因可使生物体适应环境的变化，前提是该生物体具有适当的调节设计。
奥地利科学技术研究所（IST Austria）的科学家表明，在罕见或快速变化的条件下，一个细菌种群可以通过产生一个相同基因的更多拷贝来提高适应性。这些结果与抗击抗生素耐药性具有重要意义。
自然环境在不断变化。如果这种变化是一种熟悉的变化，例如白天到黑夜的变化或食物供应的波动，则有机体会利用基因调控来适应，从而允许根据需要打开和关闭单个基因。
然而，一个有机体可能面临新情况，它还没有进化出足够的基因调控机制。这种机制的演变需要很长时间（长达数百万年），因为该过程取决于稀有点突变的发生，而如果条件迅速变化，正确的突变可能发生得不够快。
来自奥地利科学技术学院的博士生CalinGuet和GašperTkačik和来自英国利物浦大学的Jonathan Bollback小组的学生Isabella Tomanek和Rok Grah都在怀疑是否可能采取另一种进化解决方案—基因复制—支持细菌种群在快速变化的条件下的生存。
复制/粘贴和删除创造遗传多样性
像其他任何突变一样，基因的复制始终自发地发生。Isabella Tomanek解释说：“一个典型的细菌种群将包含大量的细胞，这些细胞在染色体的某个地方有复制。” “我们观察了40多个个体细菌并观察了这些重复，但是我们也看到它们非常不稳定：一个基因的第二个拷贝可能会在下一代中进一步扩增，从而导致大量拷贝，但是复制也可以立即被删除，并且个体会退回到原始的单基因状态。”
这种不稳定性会导致基因拷贝数变化，从而导致种群的基因表达水平发生变化（因为任何额外的基因拷贝都会增强基因的表达）。反过来，选择可能会影响所产生的拷贝数多样性，并选择拷贝数/基因表达水平“正确”的细菌。
快速变化需要迅速决策
培养皿中的荧光大肠杆菌种群。图片来源：ISTAustria - Guet group
为了检验他们的假设，科学家们研究了在两种不同的糖环境中与大肠杆菌生长相关的模型基因的表达：一种是半乳糖环境，选择了模型基因的高表达来支持生长（环境 A），另一种是半乳糖的化学类似物的环境，仅当模型基因表达较低时才支持生长（环境B）。通过按照24小时的节奏在这两个相对的环境之间切换，科学家模拟了一个相对快速变化的生长条件，研究模型基因如何被调控。正如所料，Tomanek等人观察到，种群可以根据需要将其基因表达调整到两种环境，即在A环境中基因高表达，而在B环境中基因地低表达
这些实验结果由GašperTkačik生物物理学理论小组的Rok Grah得到，他们将数据转换为种群动力学模型。这三个小组将他们的工作联合起来，首次证明了当需要基因调控但没有其他遗传调控机制时，基因复制可以作为一种调节基因表达水平的策略。
Rok Grah说：“最显着的是，复制/粘贴和删除策略在生态时间尺度上生效，即在较慢的进化解决方案出现之前，如在单细胞水平上的基因调控可以通过点突变的适应来进化。而且，正如我们在我们的模型中所展示的，由于任何基因组区域基本上都可以被扩增，所以所描述的机制不仅作用于任何细菌基因，原则上也适用于任何其他生物体。”
抗生素耐药性的意义
这项研究中描述的遗传机制的广泛适用性对多种多样的生物现象具有潜在的意义。例如，它可能导致抗生素失效，因为由于拷贝数的差异，来自同一位患者的细菌表现出不同水平的抗生素耐药性。这种现象被称为异抗，这使得医生很难估计到底需要多少抗生素才能成功地对抗细菌感染。该研究发表在《Nature Ecology &Evolution》上。
文献来源:
Gene amplification as a form of population-level gene expression regulation, Nature Ecology & Evolution,
DOI: 10.1038/s41559-020-1132-7,
/articles/s41559-020-1132-7
新闻报道：
/articles/s41559-020-1132-7
译文校稿：
LuLu
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