臺(tái)大生命科學(xué)院周信宏/溫進(jìn)德團(tuán)隊(duì)研究成果登上 Genome Research

突變是演化的原動(dòng)力，它改變DNA序列 (基因型)，進(jìn)而影響基因功能及生存優(yōu)勢(shì) (表型)。了解突變的效應(yīng)和基因型-表型的關(guān)聯(lián)是生命科學(xué)的重要課題，如能獲取這些資訊，預(yù)測(cè)演化走向及設(shè)計(jì)人工生命體便非遙不可及的夢(mèng)想。但要完整掌握基因型-表型的關(guān)聯(lián)極為困難，因?yàn)榛蛐偷目偭侩SDNA長(zhǎng)度呈指數(shù)成長(zhǎng)，光是10個(gè)鹼基組成的DNA片段就有超過一百萬(wàn)種 (4^10) 基因型 (註：人類基因體含32億個(gè)鹼基)，傳統(tǒng)的研究方法難以克服此數(shù)量障礙。

為了揭開基因型-表型關(guān)聯(lián)的全貌，生科系周信宏老師 (圖一，右三) 發(fā)展一套結(jié)合螢光細(xì)胞分選及次世代定序技術(shù)的高通量實(shí)驗(yàn)平臺(tái) (圖二)，能同時(shí)建構(gòu)百萬(wàn)種基因型，並觀測(cè)每個(gè)基因型產(chǎn)生的表型，他以細(xì)菌的 SD (Shine-Dalgarno) 序列作為研究題材。SD序列為基因上游9個(gè)鹼基構(gòu)成的區(qū)塊，SD序列影響核糖體的附著並決定基因的蛋白轉(zhuǎn)譯速率，教科書將SD定義為一段富含 A、G鹼基的序列，但自然界SD序列的基因型其實(shí)很多元。周老師以高通量技術(shù)在四種大腸桿菌基因的上游產(chǎn)生所有種類 (4^9) 的SD基因型，並觀測(cè)每個(gè)基因型的表型 (轉(zhuǎn)譯速率)。他發(fā)現(xiàn)四種基因上游對(duì)SD功能的影響各有不同，增加了SD基因型-表型關(guān)聯(lián)的複雜性，但透過大數(shù)據(jù)分析周老師從看似雜亂的表象中找到簡(jiǎn)單的規(guī)則 (圖三左)：G鹼基越多 (G-more) 的SD基因型通常具較高的轉(zhuǎn)譯速率，反之，A鹼基的多寡則與轉(zhuǎn)譯速率無(wú)關(guān)。生細(xì)所溫進(jìn)德老師 (圖一，左一) 進(jìn)行單分子實(shí)驗(yàn)並驗(yàn)證了這項(xiàng)觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示G鹼基提高SD序列與核糖體的親和力，進(jìn)而增加蛋白轉(zhuǎn)譯速率。G-more法則簡(jiǎn)化了人工SD序列的設(shè)計(jì)，使合成生物學(xué)家可更精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)並控制基因表現(xiàn)。

另一方面，周老師從演化及遺傳學(xué)的角度分析SD基因型-表型關(guān)聯(lián)的特性，他發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)譯速率越低的SD基因型獲得良性突變的機(jī)率越高，令人意外的是，SD序列在朝向高轉(zhuǎn)譯速率的基因型演化的過程中，獲得良性突變的機(jī)率仍維持一穩(wěn)定值(圖三右)，此現(xiàn)象與演化理論的預(yù)測(cè)相左。上述兩種特性都可增進(jìn)SD序列的演化潛力 (Evolvability)，至於兩特性是否為生物系統(tǒng)所共有則有待後續(xù)研究進(jìn)一步探討。

本篇的共同第一作者為生科系大學(xué)部畢業(yè)生郭學(xué)庭 (圖一，右二) 、電機(jī)系大學(xué)部畢業(yè)生簡(jiǎn)瑞霖 (圖一，右一)、及生科系碩班畢業(yè)生鄭遠(yuǎn)儒。其他作者包含: 生科系碩班畢業(yè)生李昀儒以及基因體與系統(tǒng)生物學(xué)學(xué)位學(xué)程博班畢業(yè)生陳臆嵐 (圖一，左二)。研究經(jīng)費(fèi)來(lái)自科技部及臺(tái)大學(xué)術(shù)研究生涯發(fā)展研究計(jì)畫。

周信宏老師特別感謝臺(tái)大提供微生物專用的流式細(xì)胞分選儀 (BD FACSJazz; 圖一，左三)，歡迎校內(nèi)有微生物分選需求的團(tuán)隊(duì)洽詢及使用，以發(fā)揮此儀器的最大功用。

Genome Research論文全文: http://www.genome.org/cgi/doi/10.1101/gr.260182.119
生命科學(xué)系 周信宏助理教授：https://choulab.wordpress.com/
分子與細(xì)胞生物學(xué)研究所 溫進(jìn)徳副教授：https://jdwen.wordpress.com/