重大突破!Science:现在,我们能“实时观察”基因突变了
2018/03/21
近日,Science杂志发表了一项重大的突破性成果:一种被称为“Mother Machine”的装置使实时观察单个细菌细胞中的突变形成(mutagenesis)成为了可能。研究还证实,突变比人们先前认为的更中性。


图片来源:Science(DOI: 10.1126/science.aan0797)

突变是生命变化和进化的驱动力。然而,先前大多数已知的关于突变动力学的知识都是基于间接测量的推理。现在,在题为“Mutation dynamics and fitness effects followed in single cells”的论文中,来自法国的一个科学家小组开发了一种微流体装置,可以同时观察数百个单独的大肠杆菌细胞在多个复制周期中的分裂和突变。

观察突变的重要性

未参与该研究的、瑞士苏黎世联邦理工学院的分子微生物生态学家Martin Ackermann说:“突变对生物学至关重要。一方面,它们是进化革新以及地球上生命多样性的基础;另一方面,它们也是我们所面临的一些最紧迫的医学问题的根源。因此,了解突变发生的时间和它们对生物体的影响是生物学的一个中心目标。而这项新研究朝着这个目标迈出了一大步。”


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牛津大学研究细菌突变形成(mutagenesis)的Stephan Uphoff博士对此表示赞同。他说:“这是一篇令人兴奋的论文,它结合了新的方法和重要的问题,即,突变形成的动力学是什么,以及突变对健康有何影响?”

先前方法的局限性

据Uphoff博士介绍,在正常细菌生长期间检测突变率的一个常用方法是做一个突变积累试验(mutation accumulation assay)。为了实现这一点,研究人员在琼脂平板(agar plate)上对一个细菌进行划线培养(streak a bacterial culture),挑出一个单菌落,再划线(streak),再挑一次,再划线,这样持续20天左右。对原始菌落和最终菌落的基因组进行测序和对比,能够用来计算每一代的突变数量。

这种方法的问题是,研究人员能够分析的样本数量相当少。此外,科学家们所观察到的突变对健康的影响是有偏差的。“你永远不会看到高度有害或致命的突变,因为这些细胞永远不会形成一个菌落。”Uphoff博士解释道。

创新技术的突破性

在这项最新发表的研究中,微生物学家/生物物理学家Lydia Robert及其同事找到了消除上述偏差的方法。她说:“我们的想法是,利用微流体技术,我们能够在每次细胞分裂后保留一个细胞,不依赖于它的健康,从而阻止自然选择的作用。此外,基于微流体的这一系统是高通量的,我们可以通过显微镜下的延时成像同时分析1000个单独的细菌细胞。


Robert说:“它们在里面‘游泳’,然后被卡住。”L. ROBERT ET AL., SCIENCE (2018)

Robert等在2010年开发了这个被称为Mother Machine的装置。首先,它包含一个大通道,细菌生长所需的培养基通过该通道流动;此外,一连串的终端微通道(dead-end microchannels)垂直于这一大通道。微通道的直径为1微米大小,刚刚好是一个细菌的尺寸(上图)。卡在每个通道末端的细胞是“母”细胞(“mother” cells),它们的分裂能够被持续观察。

研究结果的颠覆性

为了计算突变发生的数量,研究小组使用了表达一种荧光标记错配修复蛋白(该蛋白会与复制错误的DNA位点结合)的细菌。每一个复制引起的突变都显示为一个亮黄色的斑点(下图)。通过这些实验,研究人员估计,大肠杆菌的突变大约每20天发生一次。他们还指出,突变倾向于以稳定的速度发生,而不是爆发式发生。


Bacteria in the mother machine showing replication mutations

MARINA ELEZ AND JEAN OLLION

在不同的实验中,研究小组分析了细菌的生长表型,然后应用已知的突变率来计算对健康的影响。最终,他们确定,1%的突变是致命的,剩余非致命的突变中大多数是准中性的(quasi-neutral)。

科学家们还调查了倾向于有更高突变率和不同突变类型的大肠杆菌菌株。结果发现,尽管发生了更多的突变,但这类菌株依然表现出了一种匀速的(even-paced)突变频率,且影响健康的突变比例也是相同的。

论文的共同通讯作者Marina Elez总结道:“基本上,我们发现,突变比人们先前认为的更中性。

未来应用的广泛性

Uphoff博士认为,这一发现为在更多的条件下调查突变提供了基础,如,调查具有不同遗传背景的细菌,或在抗生素存在的情况下进行研究。

而Robert强调,更重要的是,这项技术很可能“能够适用于许多不同的细胞”,这将进一步扩大研究突变动力学的范围。

参考资料:

Monitoring Mutations with Microfluidics

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