细胞内的竞争决定了质粒种群的动力学变化

《SCIENCE》：Intracellular competition shapes plasmid population dynamics

质粒在宿主内的竞争受甲基化复制控制影响，低转录活性质粒因占据资源优势而优先固定，导致基因丢失，其进化由细胞内外的动态共同驱动。

　　

摘要

从多细胞生物群体到自私的遗传元素，不同生物组织层次之间的冲突是进化过程中的核心因素。质粒是一种存在于细胞染色体之外的、能够自我复制的遗传元件，它们既受到宿主的选择压力，又在宿主细胞内部为复制资源而竞争。虽然理论表明细胞内的选择对质粒的进化具有重要影响，但实验上对这些动态过程的测量一直难以实现。在这里，我们测量了相互竞争的大肠杆菌质粒在细胞内的适应性，并对其漂变和选择动态进行了研究。我们制备了可以在受控条件下分裂的合成质粒二聚体，以此来模拟竞争环境并进行实验验证。由于基于甲基化的复制调控机制，不兼容的质粒能够在细胞内长期共存。此外，转录活性较低的质粒在细胞内具有优势，并更倾向于发生固定（即遗传信息的稳定传递），这可能导致基因的丢失。值得注意的是，质粒的固定过程与质粒的转录和翻译活动之间存在复杂的相互作用。我们的研究结果表明，质粒的进化受到细胞内和细胞间动态的共同影响。