文章导读：
现代研究普遍认为原核生物基因组是趋向于精简化的，具有很高的编码率，而且有证据表明原核生物基因组的缺失突变多于插入突变。然而在很多原核生物的基因组中都会发现一些假基因，假基因并不能表达出有用的产物，为什么还会遗留在基因组之中？是基因组还未来得及“清除”这些假基因，还是其有特殊的存在意义？
Pseudogene repair driven by selection pressure applied in experimental evolution
实验进化中施加的选择压力驱动假基因修复
作者：Amitesh Anand, Connor A. Olson, Laurence Yang et al.
期刊：Nature Microbiology (IF=14)
时间：28 January 2019
文章摘要
假基因就是曾经被突变损伤的开放阅读框，其基因产物是无功能的。很多基因组都有发现假基因，这些假基因是无用的但是有时候不会被清除。为什么这些假基因普遍存在呢？本文报道了一个假基因efeU的修复现象，它使的大肠杆菌恢复了铁摄入系统，这种修复是在实验进化中设计的选择压力下完成的。
研究背景
铁代谢对于细菌的生理以及病原性都是很重要的，然而铁元素的有效性受限于铁离子差的溶解度。微生物基因组通常编码一些铁摄取系统来缓解缺铁的压力。这些响应包括摄取铁元素、利用外源铁载体、合成內源铁载体以及尽量减少使用消耗铁的代谢通路等。这些代谢的可变性使得微生物可以在多样的环境中生长并增强竞争力。
有趣的是，实验室的驯化可以让细菌丢掉铁摄取通路。例如一些大肠杆菌的efeU基因缺失了一个碱基，从而丢失了好氧铁元素转运功能，这个突变使得原基因断开形成两个开放阅读框，其翻译的多肽没用功能而形成假基因。那么这个突变是不是普遍的，大肠杆菌是否永远丢失了好氧铁元素转运功能？
结果讨论
对PATRIC数据库12117个大肠杆菌基因组进行分析发现，有234个基因组的efeU基因发生碱基缺失变成假基因。其中超过68%的efeU基因变成了120bp和720bp两个片段（如图1a、b所示）。尽管使该基因断裂失效有多种可能的方法，但大多数发生突变的大肠杆菌似乎遵循了一定的模式，这表明该基因的失效遵循一定的可控的基因失活机制。这个假基因的形成曾经与大肠杆菌的实验室驯化联系在一起，其很可能是一定特殊条件下的产物。那么既然此假基因的形成十分有规律，在实验室针对该基因设计一定的选择压力，该假基因是否也可能会被修复？
EfeU与两个下游基因EfeO、EfeB一起构成了铁元素摄取系统，该系统使得大肠杆菌在有氧环境中不使用铁载体介导的铁摄取作为主要途径，而EfeU假基因突变菌株则只能以铁载体介导的铁摄取作为主要途径。为了产生铁输入压力，作者敲除了内源铁载体合成酶entC，敲除该基因只会造成很小的影响，因为大肠杆菌还含有另一个铁载体合成酶menF，因此作者培养了两个基因全部敲除的菌株（ΔmenFΔentC）。此外，作者同时敲除了另一个牵涉辅酶q合成的酶ubiC，这三个基因敲除的菌株（ΔmenFΔentCΔubiC）可以解决任何电子传递链的铁限制影响。
图1. efeU基因的破碎及修复（a. 突变形成的两个片段在原基因产物上的对比示意 b. 突变形成的两个片段的长度分布 c. ΔmenFΔentC的进化轨迹，虚线表示有铁载体柠檬酸盐供应，实线表示没有柠檬酸盐供应，k-12为含有假基因但未敲除任何基因的对照菌株）
ΔmenFΔentC和ΔmenFΔentCΔubiC都能很好的在肉汤培养基生长，但不能在寡营养的含有氯化铁的M9培养基上生长，但是在其中加入外源的铁载体柠檬酸盐ΔmenFΔentC便可以生长，证明了铁载体的缺乏影响生长。为了提高在这种压力下的生长速率，作者进行了适应性实验室进化实验（adaptive laboratory evolution，ALE），最终结果显示6个实验的ΔmenFΔentC菌株中的一株（图1c中的红实线）、6个实验的ΔmenFΔentCΔubiC菌株中的3株可以实现稳健的生长，甚至最终达到了野生型的生长速率。在添加铁载体柠檬酸盐的情况下，所有敲除菌株均可以实现和野生型相同的生长速率（图1c中虚线），说明即使没有EfeUOB系统以及內源铁载体，通过外源铁载体也可以恢复铁的摄取，展示了一定的代谢灵活性。
图2. ALE菌株中观察到的EfeU基因的突变（a. ALE菌株中的突变修复了EfeU基因，黄色部分为形成假基因的突变，橙色部分为假基因修复的突变 b. 突变位点在基因产物上的位置示意 c. ALE菌株、依赖外源铁载体的ΔmenFΔentC以及对照菌株EfeUOB表达量对比）
那么问题来了，具有假基因EfeU且没有内源、外源铁载体的菌株如何实现了铁的正常摄取？为此作者对无柠檬酸条件下进化出的ΔmenFΔentC和ΔmenFΔentCΔubiC菌株（ALE菌株）进行重测序，发现所有的ALE菌株的EfeU基因均包含插入或者缺失（图2a、b所示）。这些插入和缺失修复了EfeU基因，使其形成了一个完整的开放阅读框（open reading frame，ORF），假基因也重新有了功能从而使大肠杆菌可以不依赖内源和外源铁载体而摄取铁进行生长。在依赖外源铁载体生长的ΔmenFΔentC菌株中，假基因EfeU没有被修复，由于其表达的两个多肽片段无功能，增加了代谢成本，因此EfeUOB的表达量显著下调（图2c所示）。作者认为，假基因的功能恢复表明假基因对于微生物的适应能力非常重要。
总结评论
最开始我们谈到，原核生物基因组是走向精简化的。然而在很多原核生物的基因组中都可以发现遗留的假基因，这些假基因被保留下来很可能是因为具有现实意义而被自然选择的结果。此前研究认为假基因仅会参与到调控角色，而这篇文章作者对假基因EfeU进行研究发现，大部分假基因的断裂遵循一定的模式，很可能这种模式的假基因可以在某种条件下被修复而恢复功能，作者使用实验室进化实验证明了这一猜想。这个结果十分有意思，拓展了我们对于微生物生态与进化的认识。
