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發現「必要基因」演化中出現改變 中研院呂俊毅團隊以酵母菌研究打破舊有觀念

發稿時間：2023年3月31日

發稿單位：台灣科技媒體中心

中央研究院分子生物研究所呂俊毅特聘研究員的研究團隊30日於國際期刊《自然生態與演化》（Nature Ecology & Evolution）發表一篇生物基因演化的研究。研究打破科學界過去既有的認知，發現「必要基因」（essential genes），竟然可在演化中快速改變，有別於過往科學界認為必要基因在演化過程中，會持續保持不變的觀念。台灣科技媒體中心邀請呂俊毅說明這項研究，呂俊毅表示，這項研究主要想了解「必要基因」的演化途徑與影響演化速度背後的重要因子，期望未來能有助研究疾病成因與基因治療的發展。

「必要基因」是指細胞中不可或缺且與生存至關重要的基因，已知許多人類疾病，都與必要基因功能受損或發生突變有關。因為必要基因常常參與在細胞最基本的生理功能，所以也保留在所有生物中，就像生物體體內的活化石。

呂俊毅說明，這個研究利用基因置換技術和五種不同演化距離的酵母菌物種，探討代表各種不同功能的86個必要基因的演化途徑，還有影響演化速度背後的重要因子。

為什麼要用酵母菌來做這個實驗？呂俊毅解釋，採用酵母菌為研究對象，是因為酵母菌有大約1,000多個必要基因，且它們與複雜的人類細胞共享了60-70％相同的必要基因。如果直接用人類細胞來做這麼大規模的實驗，恐怕花上幾千萬都未必能達成，而酵母菌的特性是只需要90分鐘即可完成一個世代的繁殖，因此酵母菌常被作為演化生物學實驗的模式生物，去模擬從古至今生物演化的過程。

呂俊毅提到，此研究結果確實驗證了有一大部分（52%）的必要基因在幾億年的演化中幾乎沒有改變，但同時也發現有一小部分（10%）的必要基因，在演化的過程中會產生劇烈改變，這改變過往科學界認為必要基因不會輕易變動的想法。研究團隊更進一步透過實驗發現，蛋白質複合體中複雜的交互作用（protein interactions）環境，是造成快速演化的可能原因。

瞭解必要基因演化速度的差異，除了滿足演化學家的好奇心，還有什麼重要性？呂俊毅解釋，許多快速演化的基因，在過去已被證明，會在不同的族群或物種間產生遺傳不相容性，導致個體不孕、蛋白質均衡的破壞、甚至加速老化。

近年來也有越來越多的研究顯示，快速演化的基因所造成的遺傳不相容性，可能是許多疾病的肇因。如果能知道影響快速演化背後的原因，無疑將有助於未來研究疾病成因與發展基因治療的新技術。例如本研究中特別分析的快速演化必要基因：APC/C蛋白質複合體（anaphase-promoting complex/cyclosome），同樣存在人類的必要基因中，在人體中也扮演極為重要的角色，主要與細胞週期、腫瘤抑制等功能有關，而一旦APC/C蛋白質複合體的調控出現問題，可能會讓細胞出現癌化。

呂俊毅提到，演化是一門與人類生活息息相關的科學，研究團隊藉由暸解必要基因的改變與影響，從不同的角度去看生物產生疾病在基因層面的可能原因。

• 研究原文：Lai, HY., Yu, YH., Jhou, YT. et al. Multiple intermolecular interactions facilitate rapid evolution of essential genes. Nat Ecol Evol (2023). https://doi.org/10.1038/s41559-023-02029-5