试管内的演化：一个基因分子能演化出什么？

导语 / Introduction

一个基因分子被研究人员赋予了复制能力后，随着时间推移，它演化出了一个复杂的“宿主”和“寄生虫”网络，在相互竞争和相互合作中生存。

在为生命起源的研究进行了漫长的实验后，日本的一个研究小组报道，他们创造了一个试管世界，分子不仅自发地演化出复杂系统，更让人意外的是，演化后的不同分子还会相互合作。在超过数百小时的复制过程里，一种单一类型的RNA演化出五个不同的分子“物种”，或者说，一个和谐共处、合作共生的宿主与寄生虫谱系，该研究的主要作者、东京大学特任助教水内良（Ryo Mizuuchi）说，这就像一个“分子版生态系统”的开始。

他们的实验证实了之前的理论结果，具有复制能力的分子可以通过达尔文演化，自发地发展出复杂性，“这是生命出现的关键一步。”研究人员写道。

在生命之初，简单的分子网络以某种方式开始演化，变得更加多样和复杂。现在研究人员通过观察RNA分子在试管中的演化，找到了或许能够解释了这一过程的线索。

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Samuel Velasco

水内说，当一个正在复制的分子在试管中变得复杂化（complexify），“我们可以提供直观的证据；我们可以看到实际发生了什么。”

未参与该研究的格罗宁根大学系统化学教授西布伦·奥托（Sijbren Otto）说，这是在实验室里演化出一个复制基因（replicator）复杂网络的第一步，可能也是最重要的一步。“有了这些证据，前方道路变得更加清晰，人们也会更加乐观，相信这真的可以实现。”

伦敦大学学院的计算生物学家乔安娜·泽维尔（Joana Xavier）称赞水内和他同事的工作成果是一个“伟大的概念证明”，解释了一个最小系统（minimal system）如何做到复杂化。她说，这是“一个非常重大的进步”。

斯皮格尔曼的怪物再生侠

这些新实验的根源可以追溯到20世纪60年代，当时分子生物学家索尔·斯皮格尔曼（Sol Spiegelman）在实验室里创造了他称之为“小怪物”的东西。尽管这个标签带有弗兰肯斯坦的色彩，但他的小怪物不是绿色、眼窝深陷、咆哮的模样，甚至不是活的。它只是一种合成分子，用自身的复制品填满了整个试管。

20世纪60年代，分子生物学家索尔·斯皮格尔曼（Sol Spiegelman）使用一种他称之为“小怪物”的不断演化的病毒RNA，首次在分子水平上论证了达尔文演化论。

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The National Library of Medicine/National Institutes of Health

斯皮格尔曼的怪物是基于一个病毒基因组的变异RNA链。这位生物学家发现，只要有核苷酸的基本构成要素和一种名为复制酶（replicase）的聚合酶，将RNA链与之混合并加热，就可以将其无限地复制。然而，他很快意识到，随着时间的推移，他的分子变得越来越小：去除了不必要基因的副本复制得更快，这提高了它们被收集并转移到新试管中进一步复制的几率。就像现存物种一样，他的分子在自然选择的压力下也开始变异和演化，从而更好地在玻璃世界中生存。

这些研究是世界上第一例在分子水平上证明达尔文演化论的实验——“物竞天择，适者生存”。尤金·库宁（Eugene Koonin）说道，他是美国国家卫生研究院的一名杰出研究员，在国家生物技术信息中心工作，“在这些条件下，最佳适应就意味着最快复制。

斯皮格尔曼的工作启发了随后数十年的深入研究，其中大部分研究为生命起源的研究奠定了基础，并为RNA世界假说（RNA world hypothesis）提供了支持，即生命起源于自我复制的RNA分子。但这些研究没有解答一个关键问题：单个分子大小的复制基因能否演化成一个多复制基因的复杂网络?

- Novikov Aleksey -

十几年前，当时市桥伯一（Norikazu Ichihashi）还是大阪大学生物信息工程学副教授，他开始通过调整斯皮格尔曼的试管世界来寻找答案。“我们试图把这个系统变得更像生命体。”市桥说。

市桥和他的团队开发了一种RNA分子^[1]，它编码了一种复制酶，可以复制RNA。但要让这个分子翻译自己的遗传密码，科学家们还需要添加更多的东西：从常见的肠道细菌大肠杆菌中，借用了核糖体和其他基因翻译系统。他们将系统嵌入微滴中，并将其加入RNA和复制所需原材料的混合物中。

接下来，便是长达数年的乏味混合与等待。

他们的长期实验包括在37摄氏度（人体或酷暑的温度）下培养复制系统，添加新的微滴和新的翻译系统，并搅拌混合物以诱导复制。每隔几天，他们分析试管中的RNA浓度，并每隔一周左右从最新混合物中提取样本并冷冻保存。每半年左右，他们会对收集的样本进行大批量测序，看看RNA是否有了新的突变并演化成了新的谱系（lineage）。

试管里的演化

经过215小时43轮的复制，研究人员开始看到有趣的结果，并在2016年发表于PNAS^[2]。原本的RNA已经被另外两种RNA所取代：其中一种被研究人员称为“宿主”，它可以使用自己的复制酶来复制自己，就像最原始的RNA分子一样；另一种“寄生虫”需要借用宿主的基因表达系统。

当市桥和同事将实验延长到120轮复制，时长已经超过600个小时，他们发现宿主谱系已经分裂成两个独立的宿主谱系，其中一个宿主演化出了两种不同的寄生虫。然而，不仅谱系的数量有所增加；他们之间的互动也更加复杂。宿主们出现了突变，可以干扰寄生虫劫持其复制资源的能力，但寄生虫也演化出了突变，能防御这些干扰作用。宿主和寄生虫似乎在共同演化。

- Augusto Zambonato -

科学家们于2020年在eLife杂志上报道^[3]，在这场“演化军备竞赛”中，为了争夺领地，寄生虫和宿主的种群规模会发生大幅波动。每一种RNA谱系都曾短暂地升至主导地位，然后又被另一种RNA取代。如今在东京大学担任教授的市桥说，“如果一个谱系占据了主导地位，其他谱系规模就会减小。”

研究人员仍在继续实验，在第130轮复制前，另一个宿主出现了。在第160轮时，其中一种寄生虫消失了；几轮之后，另一种寄生虫出现了。到了第190轮，研究人员发现了一个新的惊喜：每个谱系的的动态规模原本波动巨大，开始变成较小的波动。这种稳定性说明谱系之间不再为复制而竞争。取而代之的是，它们开始以网络的形式互动，并以一种准稳定态共存（quasi-stable coexistence）的状态进行合作。

水内、市桥与古林太郎（Taro Furubayashi）（他当时是市桥实验室的博士生，现在是东京大学的一名研究员）一同开展了这项实验，他们为眼前的发现所震惊，并在3月份的《自然-通讯》（Nature Communications）上发表了这一发现^[4]。他们只是“不起眼的分子”，水内说，“这很令人意外”。

东京大学研究员、这项新研究的主要作者水内良认为，这项工作展现了寄生虫和宿主是如何推动彼此演化的。“如果没有寄生虫，这种程度的多样化也许不会发生。”他说。

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Courtesy of Ryo Mizuuchi

互相合作的寄生虫各司其职

库宁认同以上发现十分惊人。他说，他们的“实验设置更详尽、更真实，结果也更复杂和丰富，但（它）完全兼容”于斯皮格尔曼的结果。他们不仅观察了一种单一类型的分子在自然选择下的复制并积累突变，随后还更进一步，让分化后的分子在彼此的影响下演化成一个群体，就像活细胞、动物或人会做的那样。在这个过程中，研究人员也探讨了控制这种复杂群落，并使其变得稳定和持久的规则。

其中一些结果证实了关于病毒、细菌及真核生物如何产生复杂性的早期实验的预测，以及一些理论工作。例如，库宁实验室的一项研究也表明^[5]，寄生虫在复杂性的形成中是不可避免的。

水内说：“如果没有寄生虫，这种程度的多样化大概是不可能的。”寄生虫和宿主相互施加的演化压力导致双方都分裂出新的谱系。

该实验还出现了一个更令人意外的基本原则，那就是起到关键作用的相互合作。这五个谱系属于不同的小型合作网络，有些谱系的合作性比其他更强。例如，到了第228轮复制，三个宿主之一已经演化成“超级合作者”，可以复制自己和所有其他谱系；另外两个宿主只能复制自己和一种寄生虫。

长久以来，科学家们一直集中研究演化中的竞争，以至于合作的作用“有点被忽视了”，泽维尔说道，“我认为合作也将开始发挥重要作用，特别是在物种起源方面，因为很多东西必须以正确的方式结合在一起。”

- Rachel Ignotofsky -

市桥、水内和同事观察到，这个系统里的RNA合作完全集中在复制上。但研究人员希望，通过调整试管内的自然选择标准，可以迫使RNA演化出一种完全不同的功能，例如与新陈代谢相关。

不同的命运

加州大学圣克鲁兹分校生物分子工程的研究教授大卫·迪默（David Deamer）说：“科学家们喜欢相互娱乐，而最好的乐子就是惊喜。”他认为这是一篇很好的论文，但他指出，在实验室发生的事情或许不能转化为生命诞生之初所发生的。

事实上，由于实验依赖于大肠杆菌的翻译系统，市桥实验室的场景并不能反映生命起源时的情况。“生命起源的核心问题是：蛋白质合成本身是如何开始的？”北卡罗莱纳大学医学院生物化学和生物物理学教授查理·卡特（Charlie Carter）说道。

- Merrill Sherman -

但是库宁认为，如果研究人员利用真正自我复制的分子系统，找到演化出复杂性的方法，他们将看到与论文中描述的网络非常相似的东西。库宁说，“它们至少完美地说明了生命起源时可能发生的过程。”

对奥托来说，这项研究表明，一旦你在这种复杂程度上，解决了精确复制分子的问题，就能进一步复杂化：这个实验“没有告诉你如何做到，但如果到了这个阶段，它确实会为你指明前进的道路。”他说。

市桥和同事们继续着这项工作，想看看他们是否可以在一个单独的实验中重建同样的可持续网络，所以他们提取了五个谱系的样本。然而，这次他们发现，其中四个谱系持续复制并存活了至少22轮，第五种却消失了。“我不知道为什么，这一点很奇怪。”市桥说。

一种可能性是，这个系统比研究人员想象的还要复杂，当他们分离出五个谱系时，他们漏掉了第六种，而这对那个消失的谱系至关重要。通过理论模型，市桥的团队证实，剩下的四种谱系可以持续地、相互依赖地复制，假若去掉其中任何一种谱系，都会导致至少一种其余谱系灭绝。他们的模拟还指出了一个与直觉相反的发现，即消灭其中一种寄生虫，都将导致其宿主的灭绝。

与此同时，研究人员继续进行他们的主要试管实验，等着观察他们的网络是否会进一步复杂化。他们也开始了用DNA代替RNA的类似实验。

这些分子大小的复制基因群落到底能演化到什么程度，“我们观察到的还只是个开始，市桥说，“我认为他们未来会有不同的命运——我们无法预测会发生些什么。”

参考文献

[1]https://www.nature.com/articles/ncomms3494

[2]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1524404113

[3]https://elifesciences.org/articles/56038

[4https://www.nature.com/articles/s41467-022-29113-x

[5]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5715634/

作者：Yasemin Saplakoglu l 译者：Arwen l 校对：Nevaeh

编辑：Nevaeh l 排版：海星 l 封面：Samuel Velasco

原文：

https://www.quantamagazine.org/in-test-tubes-rna-molecules-evolve-into-a-tiny-ecosystem-20220505/

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