突變對生物體適應度（fitness，生存和繁殖的能力）的影響，可能會受到後續突變的影響，這可能會限制未來的適應性進化路徑。這些變化如何發生、會產生怎樣的影響，尚缺乏具體的資料。近日，《Science》雜誌發表了一項名為《Changing fitness effects of mutations through long-term bacterial evolution》的研究，這項研究透過測量在不同進化適應階段的細菌，對突變對適應度的影響，或者說適應度效應分佈（DFEs）進行了深入的分析。
為了探究 DFEs 的演化，Couce、Limdi 和他們的同事們使用了正在進行的長期演化實驗（LTEE）的樣本，該實驗自 1988 年以來一直在追蹤 12 個大腸桿菌群體。這些細菌已經在低營養環境中演化了超過 75,000 代。研究人員運用基因插入和適應度評估的高通量技術，比較了各種演化階段的 DFEs。他們採用了一種基於測序的適應度測量方法，這也使他們能夠分析與觀察到的適應度變化相關的遺傳因素。
研究的第一部分評估了有害突變，並比較了演化了 50,000 代的菌株與其原始祖先的 DFEs。他們在DFEs 的有害部分沒有發現宏觀差異。這一資訊對於預測有害突變隨時間進化的理論模型非常有價值。
然後，研究團隊檢查了單個突變的影響，發現在比較原始和演化菌株時，3% 到 6%的相同突變的適應度影響顯著不同。一些獨立演化的菌株在同一基因中顯示了類似的適應度效應變化，這暗示了自然選擇的影響。有趣的是，一些基因變得對生存至關重要，這表明突變的穩定性降低了。
研究的第二部分透過比較 2,000 代和 15,000 代的菌株與祖先菌株的 DFEs，研究了有益突變。與有害突變的穩定效應不同，演化菌株中有益突變的比例明顯下降。這種下降在不同菌株和時間點上是一致的，這表明早期的基因變化顯著地重塑了演化景觀。
進一步研究後，研究人員發現許多最初有益的突變隨著時間的推移失去了他們的優勢，甚至變得有害。由於細胞功能的模組化特性以及基因型和適應度之間的關係，這種有益突變的相關性的轉變是可以預見的。在 LTEE 期間，基因組等位基因頻率的分析顯示，雖然祖先的 DFE 可以預測早期的適應，但是隨著演化的進行，預測突變在種群中變為高頻突變的能力迅速衰減。這一發現與研究顯示 LTEE 中的平行演化隨著時間的推移而減少的研究相符。此外，有益的基因變化的可能性與它們發生的頻率有關。
總的來說，這項研究為如何突變影響適應度以及它們對演化路徑的限制提供了實證洞察，為深入理解適應性演化的遺傳動力學做出了貢獻。
連結
- Changing fitness effects of mutations through long-term bacterial evolution. https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1417
- Fitness effects of mutations throughout evolution. https://www.nature.com/articles/s41576-024-00707-z
