PNAS:詳細繪製出大腸桿菌DNA突變過程圖譜

2012年9月19日 訊 /生物谷BIOON/ --來自美國印第安納大學的生物學家和信息學家繪製出一個有機體中迄今為止最為廣泛的突變過程圖譜之一，這有助於揭示出新的關於突變分子性質方面的進化信息和這些可遺傳變化是如何快速發生的。

通過分析模式原核生物大腸桿菌在沒有自然選擇性壓力的情況下經過20萬次傳代培養時所發生的精確基因組變化，印第安納大學文理學院生物學系教授Patricia L. Foster和同事們發現大腸桿菌DNA的自發性突變率實際上要比人們之前所認為的低3倍。相關研究結果於近期在線刊登在PNAS期刊上。

這項新的研究也注意到，負責監控新複製的DNA和檢測複製錯誤的錯配修復蛋白不僅讓突變率保持較低的水平，而且也可能維持基因組中G-C含量和A-T含量之間的平衡。

Foster說，「我們知道即便在沒有自然選擇的條件下，進化也會進行，這是因為新的突變是在基因組上是被隨機地修復的。因此，如果我們想要確定特異性進化變化模式是否是由自然選擇促進的，那麼了解在沒有自然選擇下的預期模式也是極其重要的。在這項研究中，我們讓自然選擇促進或消除大腸桿菌基因組突變的能力最小化，因此我們確定自發性突變的速率和分子圖譜，這就允許我們能夠捕獲基本上所有的但不導致這種細菌死亡的突變。」

在利用錯誤修復存在缺陷(這會導致突變率增加到100多倍)的大腸桿菌菌株中進行的平行突變積累實驗中，研究人員分析了將近2000個突變，結果發現這些突變強烈地導致基因組中的A-T鹼基對偏向G-C鹼基對，這與正常細菌中觀察到的情形相反。

大腸桿菌染色體

Foster注意到，「在幾乎所有有機體中自發性鹼基對替換的分子圖譜是由G-C鹼基對轉變到A-T鹼基對所主導的，這就傾向於促進基因組含有較高水平的A-T含量。因為基因組A-T含量存在廣泛的變化，所以必定有某種選擇性壓力或者非適應性機制能夠促使基因組含有水平增加的G-C含量。」

在這項研究中，研究人員證實錯配修復是決定基因組中發生的突變類型和確定基因組鹼基組成的一個主要因素。因為錯配修復活性能夠被環境所影響，所以這項研究的另一個影響就是突變模式可能用於司法鑑定中以便有助於確定一個特定的細菌菌株來源於何處。(生物谷Bioon.com)

Rate and molecular spectrum of spontaneous mutations in the bacterium Escherichia coli as determined by whole-genome sequencing

Heewook Leea, Ellen Popodib, Haixu Tanga, and Patricia L. Foster

Knowledge of the rate and nature of spontaneous mutation is fundamental to understanding evolutionary and molecular processes. In this report, we analyze spontaneous mutations accumulated over thousands of generations by wild-type Escherichia coli and a derivative defective in mismatch repair (MMR), the primary pathway for correcting replication errors. The major conclusions are (i) the mutation rate of a wild-type E. coli strain is ∼1 × 10−3 per genome per generation; (ii) mutations in the wild-type strain have the expected mutational bias for G:C > A:T mutations, but the bias changes to A:T > G:C mutations in the absence of MMR; (iii) during replication, A:T > G:C transitions preferentially occur with A templating the lagging strand and T templating the leading strand, whereas G:C > A:T transitions preferentially occur with C templating the lagging strand and G templating the leading strand; (iv) there is a strong bias for transition mutations to occur at 5′ApC3′/3′TpG5′ sites (where bases 5′A and 3′T are mutated) and, to a lesser extent, at 5′GpC3′/3′CpG5′ sites (where bases 5′G and 3′C are mutated); (v) although the rate of small (≤4 nt) insertions and deletions is high at repeat sequences, these events occur at only 1/10th the genomic rate of base-pair substitutions. MMR activity is genetically regulated, and bacteria isolated from nature often lack MMR capacity, suggesting that modulation of MMR can be adaptive. Thus, comparing results from the wild-type and MMR-defective strains may lead to a deeper understanding of factors that determine mutation rates and spectra, how these factors may differ among organisms, and how they may be shaped by environmental conditions.