PNAS：利用熒光顯微鏡實時觀測活細胞內的轉座子

　　美國伊利諾伊大學香檳分校的科學家們實時觀察到了活細胞內的跳躍基因活動。這項研究的長期研究目標是在分子水平上深入了解進化是如何運作的。直接觀察細胞內的基因組如何重組自我，可讓我們精確測定適應率，并可能揭示了一系列重要的進化問題，包括從生命的出現到癌癥的傳播。

　　生物通報道：美國伊利諾伊大學香檳分校的科學家們實時觀察到了活細胞內的跳躍基因活動。這項研究的長期研究目標是在分子水平上深入了解進化是如何運作的。直接觀察細胞內的基因組如何重組自我，可讓我們精確測定適應率，并可能揭示了一系列重要的進化問題，包括從生命的出現到癌癥的傳播。

　　這一研究成果公布在PNAS雜志上。

　　所謂“跳躍基因”也就是轉座子或轉座因子(TE)，這種基因無處不在，每個生命領域都攜帶這些DNA序列，它們沿著一條染色體從一個位置“跳”到另一個位置；事實上，有接近一半的人類基因組是由跳躍基因組成的。根據它們特定的切除和插入點，跳躍基因可能中斷或引發基因表達，從而驅動基因突變，并導致細胞的多樣化。

　　自從上個世紀40年代它們被發現以來，研究人員已經能夠研究這些跳躍基因的行為，科學家主要通過間接方法，從大部分結果推斷出單個跳躍基因的活動。然而，這樣的技術不夠敏感，不能準確地確定轉座子如何或為什么跳躍，以及什么因素引發了它們的活動。

　　在最新研究中，研究人員為了在活細胞中觀察這些獨特的細胞進化事件，Kuhlman的團隊設計了一個使用大腸桿菌的合成生物學系統。科學家們把編碼熒光蛋白（在這項研究中，是藍色和黃色熒光蛋白）的報告基因的表達，與轉座子的跳躍活動結合起來。然后，科學家們可以使用熒光顯微鏡直觀地記錄轉座子的活動。

　　文章作者，美國國家科學基金會物理前沿中心活細胞物理中心的物理學教授Thomas Kuhlman指出：“在這項研究中，較之以前的研究，我們看到了比預期更多的跳躍基因正在活動。更重要的是，我們發現這些基因跳躍的頻率，敏感地依賴于細胞如何生長——例如是否有可用的食物讓細胞生長。換句話說，跳躍基因激活并不是完全隨機的，它依賴于環境的反饋。”

　　“這些基因在一個細胞的基因組內跳躍和改變位置。這種活動相當于一個分子系統，這樣，當它們開始跳躍時，整個細胞會發出熒光。在我們的實驗中，細胞在它們不太高興的時候發出最多的熒光。一種學派表明，在這種不快樂的情況下，這樣一種增加的突變率，對多樣化的細胞來說可能是一個優勢。”

　　為了幫助設計實驗，并推斷“如果跳躍以一種純粹隨機的模式發生時會是什么情況”，Nigel Goldenfeld的研究團隊開發了細菌菌落生長的計算機模擬，并預測在隨機的情況下實驗信號會是什么樣子。這些計算表明，實驗不能僅僅被理解為隨機轉座子活動，甚至能提供非隨機性來源的線索，包括環境反饋和遺傳。

　　Goldenfeld說：“我們的工作涉及大量的計算圖像分析，其次是統計分析。為了從原始數據中提取信號和結論，模擬和理論計算對于實驗設計和解釋是很很重要的。只有利用活細胞物理學中心提供的獨特結構，才使得這類合作項目成為可能。”

　　Kuhlman補充說：“最首要的長期研究目標是，在分子水平上深入了解進化是如何運作的。直接觀察細胞內的基因組如何重組自我，可讓我們精確測定適應率，并可能揭示了一系列重要的進化問題——從生命的出現到癌癥的傳播，在這些過程中細胞經歷了快速突變，并轉換了它們的基因組。”