數據科學揭示了塑造細胞發(fā)電站的普遍規(guī)則

線粒體是我們細胞中的隔室——所謂的“細胞器”——為我們提供移動、思考和生活所需的化學能量供應。葉綠體是植物和藻類中捕獲陽光并進行光合作用的細胞器。乍一看，它們可能看起來天壤之別。但是，由卑爾根大學領導的一個國際研究小組已經使用數據科學和計算生物學來證明，相同的“規(guī)則”塑造了這兩種細胞器類型——以及更多——在整個生命歷史中的演變。

這兩種細胞器都曾經是獨立的有機體，擁有自己的完整基因組。數十億年前，這些生物被其他細胞——現代物種的祖先——捕獲和。從那以后，這些細胞器失去了大部分基因組，只有少數基因保留在現代線粒體和葉綠體DNA中。這些剩余的基因對生命至關重要，在許多破壞性疾病中也很重要，但是在許多其他基因丟失的情況下，為什么它們仍留在細胞器DNA中，已經爭論了幾十年。

為了對這個問題有新的看法，科學家們采用了數據驅動的方法。他們收集了所有已在生命中測序的細胞器DNA的數據。然后，他們使用建模、生物化學和結構生物學將關于基因保留的各種不同假設表示為與每個基因相關的一組數字。他們使用來自數據科學和統(tǒng)計學的工具，詢問哪些想法可以最好地解釋他們匯編的數據中保留基因的模式——用看不見的數據測試結果以檢查它們的能力。

“建模中出現了一些清晰的模式，”卑爾根博士后研究員、該論文的共同第一作者KostasGiannakis解釋道。“許多這些基因編碼較大細胞機器的亞基，它們像拼圖一樣組裝。拼圖中間部分的基因最有可能留在細胞器DNA中。”

研究小組認為，這是因為保持對此類中央亞基生產的局部控制有助于細胞器快速響應變化——所謂的“CoRR”模型的一個版本。他們還為其他現有的、有爭議的和新的想法找到了支持。例如，如果一個基因產物是疏水性的并且難以從外部導入細胞器，那么數據表明它通常被保留在那里。本身使用結合力更強的化學基團編碼的基因也更常被保留，這可能是因為它們在細胞器的惡劣環(huán)境中更加健壯。

“這些不同的假設在過去通常被認為是相互競爭的，”卑爾根大學教授兼團隊負責人伊恩約翰斯頓說。“但實際上，沒有一種機制可以解釋所有的觀察結果——它需要結合起來。這種公正的、數據驅動的方法的優(yōu)勢在于它可以證明許多想法部分正確，但并非完全正確，這或許可以解釋長期爭論關于這些話題。”

令他們驚訝的是，研究小組還發(fā)現，他們訓練來描述線粒體基因的模型也預測了葉綠體基因的保留，反之亦然。他們還發(fā)現，塑造線粒體和葉綠體DNA的相同遺傳特征似乎也在其他內共生體的進化中發(fā)揮作用，這些內共生體是最近被其他宿主捕獲的生物，從藻類到昆蟲。

“那是一個令人驚嘆的時刻，”約翰斯頓說。“我們和其他人有這樣的想法，即類似的壓力可能適用于不同細胞器的進化。但是看到這種普遍的、定量的聯(lián)系——來自一個細胞器的數據精確地預測了另一個細胞器的模式，以及在最近的內共生體中——真的很驚人。”

該研究發(fā)表在CellSystems上，該團隊現在正在研究一個平行的問題——不同的生物體如何維持它們確實保留的細胞器基因。線粒體DNA的突變會導致毀滅性的遺傳疾病;該團隊正在使用建模、統(tǒng)計和實驗來探索人類、植物等如何處理這些突變。

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