2004年4月29日的《自然》杂志发表了一篇论文,描述了一种检测蛋白质的选择压力的新方法,其新颖之处在于:它可以只以一种单一基因组为研究对象,而不用(传统方法)比较核苷酸序列。

经典的对蛋白质(承受)的选择压力进行测量的方法需要比较来自为数众多的个体或物种的核苷酸序列,并有赖于许多的同源序列。这种方法的应用会受到以下情况的限制:缺乏合适的同源物;对另外的基因组进行测序的不方便;受比较的蛋白质缺乏可识别的同源蛋白。

乔舒亚 · 普罗特金(Joshua Plotkin)是本论文的首席作者、来自于鲍尔基因组学研究中心。他介绍说:“文章描述了一种分析DNA序列的新方法,它可以识别处在(选择)压力下的一种基因组中的所有基因,不论它们是进化的还是不进化的。其优点在于:你只需面对你感兴趣的一种单一基因组并察看其序列,你就可以不用比较同源基因而发现隐藏的蛛丝马迹。”

该方法的理论基础建立于普罗特金小组称之为“密码子易变性”的概念之上。他们假定:那些在强烈的选择压力下的蛋白质会产生氨基酸替换,使DNA序列发生微小突变而导致蛋白质的改变,也就是说,它们更为易变。相反地,那些不在选择压力下的蛋白质则不太易变。”

其基本的理念确实很简单。只要简单地察看其易变性,我们就能推断一个基因组是否已在(选择)压力下发生了改变或是保持稳定。”普罗特金小组应用此方法于已完成了测序的两种基因组:结核分支杆菌(Mycobacterium tuberculosis)和镰状疟原虫(Plasmodium falciparum),发现在两种生物中预测出的表面抗原都表现出高度的易变性。另外,研究小组还观察了结核分支杆菌中的PE/PPE家族,这个家族在以往的研究中显示出较高的替换率,在他们的分析中存在高度的易变性。由此,他们得出结论:密码子易变性可以检测出单一基因组中的选择情况。

“每次当我向分子进化领域的同行们介绍这种察看单一基因组就可以计算出进化速率的方法时,都遇到了太多的怀疑和震惊,因为不用比较而进行的分子进化研究似乎并不合理。”普罗特金说。

杰夫 · 托恩(Jeff Thorne)是北卡罗来纳州立大学的副教授,他认为研究人员在正常情况下是不会想到检测选择压力的。他说:“这是一个新颖的想法,这种用一条序列就可以做出一些进化推理的想法是有些异乎寻常,因为通常情况下,一提起进化研究你就会想到做比较研究。”“但是该论文是一篇极其有趣的论文,因为比较基因组学的一个局限性就是:为了比较,你需要至少两件事物(如序列),而在许多情况下很难得到这样令人满意的数据集。这使得这种新方法格外有趣。”托恩如此评价。托恩同时也告诫说:密码子偏倚和使用谱有可能影响密码子易变性的测量,因此确定这几个因素的关系是很重要的。

来自康乃尔大学的拉斯穆斯 · 尼尔森(Rasmus Nielsen)认为:易变性和氨基酸替换之间的关系需要进一步的研究。尼尔森不是该研究的参与者,他对《科学家》杂志说:“接下来要回答的有趣问题是:为什么用易变性测度出的密码子使用谱模式与氨基酸替换率存在相关性。在其他生物中,例如果蝇,人们已经就非随机性密码子使用谱的形成原因争论很久了。发表在《自然》杂志上的论文中提出的一些解释模型,也有可能解释由普罗特金及其合作者们就此问题研究的一些结果。”

普罗特金总结说:“了解哪些基因进化快、哪些进化慢是有用的,这在一定程度上是因为处于(选择)压力下、在任何生物体内都不进化的基因,通常对生物的存活或生存是至关重要的。另外,一个基因组中进化迅速的蛋白质往往是潜在的抗原,因而是疫苗的靶标。”