高表达基因在大型企鹅种群中有效抑制有害突变的分离

本研究揭示了基因表达水平对自然种群中纯化选择（purifying selection）效率的关键影响。研究人员通过比较帝企鹅（Emperor penguin）和王企鹅（King penguin）这两个近缘物种的基因组和转录组数据，结合正向模拟（forward simulations），发现高表达基因即使在小种群中仍能维持高效选择，其选择系数（selection coefficient）可达-0.1。这一发现为理解蛋白质进化（protein evolution）中基因表达（E-R anticorrelation）与种群规模（Ne ）的相对贡献提供了新视角，对濒危物种遗传负荷（genetic load）评估具有重要启示意义。

　　

在生命演化的长河中，蛋白质编码基因的进化始终受到纯化选择（purifying selection）的严格约束，这种选择机制不断清除群体中有害的突变，其效率与种群规模直接相关。然而，一个长期困扰进化生物学家的谜题是：为什么高表达基因在物种间比较时表现出更少的非同义突变积累？这种现象被称为E-R负相关（E-R anticorrelation），暗示基因表达水平可能是调节蛋白质编码突变选择系数（selection coefficient）的额外因素。尽管这一现象在实验室模式生物中有所观察，但自然种群中基因表达对有害突变分离的影响仍缺乏系统研究，特别是种群规模与基因表达对纯化选择的相对贡献更是不明。

为解决这一科学问题，由意大利马尔凯理工大学（Marche Polytechnic University）Emiliano Trucchi领衔的国际团队，以两种具有不同种群历史的近缘企鹅物种——帝企鹅（Aptenodytes forsteri）和王企鹅（A. patagonicus）为研究对象，通过整合基因组学与转录组学数据，结合创新的正向群体遗传模拟（forward simulations），揭示了基因表达水平对自然种群中纯化选择效率的决定性作用。这项突破性研究成果发表在进化生物学顶级期刊《Molecular Biology and Evolution》上。

研究团队采用了多项关键技术：对24个个体进行高覆盖度全基因组测序（whole-genome sequencing）获取遗传变异数据；采集5种组织的转录组数据（RNA-seq）量化基因表达水平（TPM）；通过群体遗传学分析计算π_N
/π_S
和d_N
/d_S
比值；开发非Wright-Fisher模型（non Wright-Fisher models）模拟不同选择系数下的群体演化。

High gene expression predicts extremely low segregation of deleterious mutations in large penguin populations
研究证实高表达基因的π_N
/π_S
比值随表达量增加而显著下降70-80%，这种E-R负相关模式在两种企鹅中高度一致。值得注意的是，非同义突变数量在高表达基因中锐减，而同义突变保持稳定，表明纯化选择效率与表达水平直接相关。

Purifying selection more efficiently removes nonsynonymous segregating variants
位点频率谱（site frequency spectrum）分析显示，高表达基因（>0.3 CPM）的非同义突变在中高频区间显著缺失，而同义突变谱无此变化，证实高表达基因承受更强的选择压力。

Gene expression can be used as a proxy of the distribution of gene selection coefficients
预测为高度有害的突变（HIGH effect）主要富集在低表达基因中，其表达水平仅为其他变异的1/3，提示传统遗传负荷评估可能高估低表达基因有害突变的实际影响。

通过精确的正向模拟，研究团队估算出高表达基因（前10%）的选择系数高达-0.1，即使在1000个体的小群体中仍能保持选择有效性（|N_e
s|>>1）。这一发现颠覆了传统认知——基因表达对选择系数的贡献可超越10万个体规模种群的影响。

这项研究建立了基因表达与选择系数之间的定量关系，为进化生物学理论提供了重要实证：蛋白质不仅因其功能被选择，其表达量决定的构象稳定性（conformational stability）或蛋白质互作（protein-protein interaction）同样构成选择压力。在应用层面，该成果提示濒危物种保护中需结合基因表达数据校正遗传负荷评估，因为低表达基因中的"有害"突变可能对适应性影响有限。正如作者强调："高表达基因构成基因组的稳定核心，即使种群衰退仍能抵抗有害突变积累"。这一发现为理解自然选择与随机漂变的动态平衡提供了新范式，对保护生物学和进化医学具有深远启示。