生命的超立方体:蛋白质稳定性如何限制生物体复杂度与分子演化速率

经典群体遗传学先验地将适合度赋予等位基因,而未考虑这些等位基因所编码蛋白质的分子或功能性质。本文研究一个模型中的群体动力学,其中适合度可由蛋白质的物理性质在如下生理学假设下推断:由必需基因编码的任何蛋白质稳定性的丧失均导致致死表型。于是,含有 $\Gamma$ 个基因的生物体中突变的累积可表示为在 $\Gamma$ 维超立方体内的扩散,其吸收边界在每一维上由蛋白质稳定性的丧失确定,而在更高稳定性一侧由蛋白质序列的匮乏确定。通过求解该扩散方程(其参数来源于蛋白质点突变数据),我们确定了与已有数据一致的蛋白质稳定性普适分布。该理论给出了突变率、最大基因组规模与蛋白质对点突变的热力学响应之间的基本关系。它通过预言当突变率超过中温生物每个必需基因组部分每次复制约 6 个突变,以及嗜热生物每个基因组每次复制 1 至 2 个突变时,群体将经由致死性突变而灭绝,从而确立了分子演化速率的普适速度极限。此外,我们的结果表明,在缺乏纠错的情况下,现代 RNA 病毒与原始基因组必然非常短小。若干 RNA 病毒已接近演化速度极限,而 DNA 病毒及具有不同基因组长度与突变率的细菌非突变株所采用的纠错机制,已普遍将这些生物体置于自然速度极限之下约 1000 倍。