上海
细菌染色体复制过程中，靠近复制起点的基因先被复制，从而有更多拷贝并在其他条件相同时有更高表达量。这一效应在细菌快速生长、发生多叉DNA复制时尤为明显。因此，基因在染色体上的位置会影响其表达水平，而改变基因位置的突变也可能受到自然选择。细菌在自然界中往往面临不断变化的环境。关于自然选择如何在不同生长环境下影响基因位置，目前有两个非互斥的假说：平均表达量假说认为，自然选择倾向于使跨环境平均表达需求高的基因位于复制起点附近，而生长依赖性表达假说则认为，自然选择倾向于使表达需求随生长速率上升而增加较多的基因位于复制起点附近。然而，此前仍缺乏直接比较这两个假说的相对支持程度的研究。
近日，来自美国密歇根大学安娜堡分校的JianzhiZhang教授与博士研究生袁睿奇（RuiqiYuan）在PLOS Genetics上发表题为Bacterial chromosomal gene positioning islikely shaped by selection on both mean andgrowth-dependent expression的研究文章。该研究通过分析三个细菌物种的公开蛋白表达数据，为两个假说提供了不同程度的支持。然而，即使同时考虑平均表达量和表达的生长依赖性，两者仍只能解释少量的基因位置差异。
该研究收集了来自3个细菌物种的8个多环境蛋白表达数据集，在观察到的表达量能够反映最适表达量的假设下，首先分析了基因位置与两类表达特征的相关性，以检验两个假说。8个数据集的秩相关分析中，有6个数据集显著支持平均表达量假说，有4个数据集显著支持生长依赖性表达假说，没有数据集显著反对两个假说。随后，研究团队将两类表达特征同时纳入回归模型，直接比较它们对基因位置的解释能力。在大肠杆菌中，两个假说都得到显著支持，且表达的生长依赖性对基因位置的贡献更大。在枯草芽孢杆菌中，两个假说均未获显著支持。在需钠弧菌（Vibrio natriegens）中，仅平均表达量假说得到显著支持。由于基因表达还受到启动子等调控元件的影响，研究团队进一步分析了大肠杆菌中的启动子强度，发现越靠近复制终点，跨环境平均启动子强度总体上越高。这一趋势与基因位置带来的表达梯度相反，提示启动子调节可以部分补偿基因位置对平均表达量的影响。此外，排除分析表明，核糖体蛋白和RNA聚合酶基因对基因位置与两类基因表达特征之间关联的贡献尤为明显，提示这两类基因的染色体位置可能受到更强的选择。
该研究将细菌基因位置与基因表达调控联系起来，提示了细菌基因位置的改变可能是优化平均表达量和表达的生长依赖性的一种方式。
原文链接：https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1012316
制版人：十一
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