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研究人员利用数据科学和计算生物学表明，在整个生命历史中，线粒体和叶绿体的进化是由相同的“规则”决定的。
线粒体是细胞中的隔间，也就是所谓的“细胞器”，为我们的活动、思考和生活提供化学能量。叶绿体是植物和藻类的细胞器，它能吸收阳光并进行光合作用。乍一看，它们可能是两个截然不同的世界。但是，由卑尔根大学领导的一个国际研究团队利用数据科学和计算生物学表明，在整个生命历史中，相同的“规则”塑造了这两种细胞器——以及更多——的进化过程。
这两种细胞器都曾经是独立的生物，拥有自己完整的基因组。数十亿年前，这些生物被其他细胞——现代物种的祖先——捕获和囚禁。从那时起，细胞器失去了它们的大部分基因组，只有少数基因保留在现代线粒体和叶绿体DNA中。这些剩余的基因是生命所必需的，在许多毁灭性的疾病中也很重要，但为什么它们留在细胞器DNA中——而其他许多基因已经丢失了——人们争论了几十年。
为了从新的角度来看待这个问题，科学家们采用了数据驱动的方法。他们收集了生命中所有细胞器DNA的测序数据。然后，他们使用建模、生物化学和结构生物学来表示关于基因保留的一系列不同假设，作为与每个基因相关的一组数字。他们使用数据科学和统计学的工具，询问哪些想法可以最好地解释他们编译的数据中保留的基因模式——用看不见的数据来测试结果，以检查其效力。
“从模型中出现了一些清晰的模式，”卑尔根大学的博士后研究员、该论文的联合第一作者Kostas Giannakis解释说。“很多这样的基因编码了更大的细胞机器的亚单位，它们像拼图一样组合在一起。拼图中间部分的基因最有可能留在细胞器DNA中。”
研究小组认为，这是因为保持对这种中央亚单位生产的局部控制有助于细胞器快速对变化做出反应——这是所谓的“CoRR”模型的一个版本。他们也为其他现存的、争论的和新的观点找到了支持。例如，如果一个基因产物是疏水的——很难从外部导入到细胞器中——数据显示它经常被保留在那里。使用更强结合的化学基团编码的基因也更容易被保留下来——也许是因为它们在细胞器的恶劣环境中更强壮。
“过去，这些不同的假设通常被认为是相互竞争的，”卑尔根大学教授、该团队的负责人伊恩?约翰斯顿(Iain Johnston)表示。“但实际上没有单一的机制可以解释所有的观察结果——它需要综合起来。这种不偏不倚、数据驱动的方法的优点在于，它可以表明许多观点在一定程度上是正确的，但没有一个观点是完全正确的——这或许可以解释围绕这些话题的长期争论。”
令他们惊讶的是，研究小组还发现，他们用来描述线粒体基因的模型也预测了叶绿体基因的保留，反之亦然。他们还发现，形成线粒体和叶绿体DNA的相同遗传特征似乎也在其他内共生体的进化中发挥了作用，这些内共生体是最近被其他宿主捕获的有机体，从藻类到昆虫。
“那是一个令人惊叹的时刻，”约翰斯顿说。“我们和其他人都有这样的想法，即类似的压力可能适用于不同的细胞器的进化。但看到这种普遍的、定量的联系——来自一个细胞器的数据精确地预测了另一个细胞器的模式，以及更近期的内共生体的模式——真的令人震惊。”
这项研究是由欧洲研究委员会资助的一个更广泛项目的一部分，该团队现在正在研究一个平行的问题——不同的生物体如何保持它们所保留的细胞器基因。线粒体DNA突变可能导致毁灭性的遗传性疾病;该团队正在使用建模、统计和实验来探索这些突变是如何在人类、植物和其他动物身上处理的。
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