數(shù)據(jù)科學(xué)揭示了塑造細(xì)胞發(fā)電站的普遍規(guī)則

線粒體是我們細(xì)胞中的隔室——所謂的“細(xì)胞器”——為我們提供移動、思考和生活所需的化學(xué)能量供應(yīng)。葉綠體是植物和藻類中捕獲陽光并進(jìn)行光合作用的細(xì)胞器。乍一看，它們可能看起來天壤之別。但是，由卑爾根大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組已經(jīng)使用數(shù)據(jù)科學(xué)和計算生物學(xué)來證明，相同的“規(guī)則”塑造了這兩種細(xì)胞器類型——以及更多——在整個生命歷史中的演變。

這兩種細(xì)胞器都曾經(jīng)是獨立的有機(jī)體，擁有自己的完整基因組。數(shù)十億年前，這些生物被其他細(xì)胞——現(xiàn)代物種的祖先——捕獲和。從那以后，這些細(xì)胞器失去了大部分基因組，只有少數(shù)基因保留在現(xiàn)代線粒體和葉綠體DNA中。這些剩余的基因?qū)ι陵P(guān)重要，在許多破壞性疾病中也很重要，但是在許多其他基因丟失的情況下，為什么它們?nèi)粤粼诩?xì)胞器DNA中，已經(jīng)爭論了幾十年。

為了對這個問題有新的看法，科學(xué)家們采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法。他們收集了所有已在生命中測序的細(xì)胞器DNA的數(shù)據(jù)。然后，他們使用建模、生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)將關(guān)于基因保留的各種不同假設(shè)表示為與每個基因相關(guān)的一組數(shù)字。他們使用來自數(shù)據(jù)科學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的工具，詢問哪些想法可以最好地解釋他們匯編的數(shù)據(jù)中保留基因的模式——用看不見的數(shù)據(jù)測試結(jié)果以檢查它們的能力。

“建模中出現(xiàn)了一些清晰的模式，”卑爾根博士后研究員、該論文的共同第一作者KostasGiannakis解釋道。“許多這些基因編碼較大細(xì)胞機(jī)器的亞基，它們像拼圖一樣組裝。拼圖中間部分的基因最有可能留在細(xì)胞器DNA中。”

研究小組認(rèn)為，這是因為保持對此類中央亞基生產(chǎn)的局部控制有助于細(xì)胞器快速響應(yīng)變化——所謂的“CoRR”模型的一個版本。他們還為其他現(xiàn)有的、有爭議的和新的想法找到了支持。例如，如果一個基因產(chǎn)物是疏水性的并且難以從外部導(dǎo)入細(xì)胞器，那么數(shù)據(jù)表明它通常被保留在那里。本身使用結(jié)合力更強的化學(xué)基團(tuán)編碼的基因也更常被保留，這可能是因為它們在細(xì)胞器的惡劣環(huán)境中更加健壯。

“這些不同的假設(shè)在過去通常被認(rèn)為是相互競爭的，”卑爾根大學(xué)教授兼團(tuán)隊負(fù)責(zé)人伊恩約翰斯頓說。“但實際上，沒有一種機(jī)制可以解釋所有的觀察結(jié)果——它需要結(jié)合起來。這種公正的、數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法的優(yōu)勢在于它可以證明許多想法部分正確，但并非完全正確，這或許可以解釋長期爭論關(guān)于這些話題。”

令他們驚訝的是，研究小組還發(fā)現(xiàn)，他們訓(xùn)練來描述線粒體基因的模型也預(yù)測了葉綠體基因的保留，反之亦然。他們還發(fā)現(xiàn)，塑造線粒體和葉綠體DNA的相同遺傳特征似乎也在其他內(nèi)共生體的進(jìn)化中發(fā)揮作用，這些內(nèi)共生體是最近被其他宿主捕獲的生物，從藻類到昆蟲。

“那是一個令人驚嘆的時刻，”約翰斯頓說。“我們和其他人有這樣的想法，即類似的壓力可能適用于不同細(xì)胞器的進(jìn)化。但是看到這種普遍的、定量的聯(lián)系——來自一個細(xì)胞器的數(shù)據(jù)精確地預(yù)測了另一個細(xì)胞器的模式，以及在最近的內(nèi)共生體中——真的很驚人。”

該研究發(fā)表在CellSystems上，該團(tuán)隊現(xiàn)在正在研究一個平行的問題——不同的生物體如何維持它們確實保留的細(xì)胞器基因。線粒體DNA的突變會導(dǎo)致毀滅性的遺傳疾病;該團(tuán)隊正在使用建模、統(tǒng)計和實驗來探索人類、植物等如何處理這些突變。

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