大部分基因的染色体位置被自然选择优化，以协调表达与生长速率

细菌染色体上基因的排列方式会影响其表达，这是因为 DNA 复制过程中生长速率的变化会导致基因拷贝数的相应变化。尽管与翻译和转录相关的基因通常会靠近复制起点聚集，但不同基因家族在位置上的偏差程度仍不清楚。

2025年4月10日，德国海因里希·海涅大学Martin J.Lercher团队（Xiao-PanHu为第一作者）在Science 在线发表题为“Most bacterial gene families are biased toward specific chromosomal positions”的研究论文，该研究提出假设，自然选择广泛倾向于特定的染色体位置，以优化与生长速率相关的表达。

通过对 910 种细菌物种以及来自大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的蛋白质组学数据的分析，该研究发现约三分之二的细菌基因家族存在位置偏差。自然选择主要促使基因向复制起点或终点移动，而在快速生长的物种中选择作用最为强烈。总之，该研究结果表明，染色体定位是协调基因表达与生长速率之间关系的基本机制，突显了细菌基因组结构的进化限制。

基因在细菌染色体上的排列方式在基因组组织中起着至关重要的作用，一些基因家族在不同细菌物种中被发现倾向于位于特定的染色体区域。例如，高表达的基因往往靠近复制起始点（oriC），在大肠杆菌中，指数期核质相关蛋白及其靶标也靠近 oriC，而共同调控枯草芽孢杆菌孢子形成的 spo0F 和 kinA 基因则位于环状染色体的相对两侧。然而，仍然缺乏对细菌染色体上基因位置偏好的范围及其后果的系统性理解。

基因位置通过与复制相关的基因剂量效应来影响表达：在细菌的 DNA 复制过程中，从 oriC 向末端（ter）双向进行时，已经复制的基因暂时会以高于未复制基因的拷贝数存在于细胞内。在单细胞水平上，这种效应会导致细胞周期中沿细胞两臂分布的基因表达模式之间存在相关性。

位置偏见反映了自然选择以及表达模式（图源自Science ）

在群体水平上，它会导致靠近 oriC 的基因的基因剂量高于靠近 ter 的基因。这些与复制相关的基因剂量效应被认为是对高度表达基因靠近 oriC 的偏好性定位起作用的原因。较少被注意到的是，这些效应依赖于生长速率。在低生长速率下，复制仅占细胞周期的一小部分，导致 oriC 和 ter 附近基因的基因剂量之间差异极小。

然而，在高生长速率下，靠近 oriC 的基因会经历相对更高的剂量（每个基因组等效的 DNA 临时基因拷贝数）。除了枯草芽孢杆菌中的孢子形成基因以及核糖体 RNA（rRNA）和 tRNA 基因之外，这种与生长速率的关联性尚未得到系统的研究。该研究分析了 910 种细菌中所有基因的染色体位置。与之前的研究一致，研究人员发现许多转录和翻译基因偏向于 oriC。然而，65.8% 的基因家族偏向于特定位置，而且这些偏向随着生长速率的提高而更强。这项工作表明，细菌中许多更多的基因在位置上受到限制，这可能为未被表征的基因的功能提供见解。

参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm9928