由于对速度的需求，错误校正机制不断进化

《SCIENCE》：Evolution of error correction through a need for speed

生物分子错误纠正机制通过stalling效应加速复制和组装过程，实验证实即使无直接 fidelity 优势，速度选择仍推动错误修正进化，涵盖DNA复制、分子组装及动态失稳机制。

　　

编辑总结

生命体需要付出巨大的努力来纠正由无序力量引入的错误。从聚合酶到核糖体，各种分子机器都使用复杂的校验机制来复核自己的工作，从而减少错误，但这种做法会消耗时间和能量。这类机制可能不容易进化，因为它们将宝贵的资源用于修复错误。然而，错误本身也会带来时间上的惩罚，这种现象被称为“停滞”。Ravasio等人提出了一种理论分析，表明由于停滞的存在，纠错机制实际上可以进化为加速生物过程。研究人员在从基因组复制到复杂分子结构组装的广泛系统中找到了支持这一结论的实验证据。——Di Jiang

结构化摘要

引言

生物学中的多步骤组装过程容易出错，因此进化出了多种纠错策略。例如，聚合酶可以通过校验机制切除错误的核苷酸，转录复合体可以回溯，错误组装的部分结构可以在重新尝试之前被拆解。这些纠错机制需要时间，因此人们普遍认为，提高准确性必然会导致复制或组装速度变慢。因此，人们认为纠错机制的进化是因为序列或组装中的错误非常有害，必须加以纠正，尽管这会消耗额外的时间。

理论依据

传统的纠错机制理论忽略了“停滞”这一普遍现象，即未纠正的错误（例如在DNA复制过程中发生的错误）会显著减慢后续步骤的进程，即使后续步骤是正确的。停滞会按照错误频率和停滞效应的强度增加完成复制周期或组装过程所需的时间。我们证明，由于停滞的存在，纠错机制反而可以加速复制和组装过程。我们认为，在某些条件下，仅对速度的选择压力就可以促使纠错机制的进化。

结果

我们首先开发了一个包含停滞机制的动力学校验模型，以便比较停滞的时间成本和校验的时间成本。理论和计算机模拟进化都表明，在停滞占主导的情况下，校验机制能够带来净时间收益。在这种情况下，即使错误不会带来直接的成本，仅对速度的选择也会导致校验机制的增强。其次，我们探讨了真实生物系统是否满足这些条件。我们发现停滞现象普遍存在，从非酶促和基于核酶的复制到复杂的DNA和RNA聚合酶中都有体现，而且在后者中更为明显。通过对DNA聚合酶进行大规模突变实验（涵盖了不同的错误率和活性水平），结果支持了速度选择有利于增强校验机制的观点。第三，我们将研究范围扩展到多组分组装过程。我们发现，对更快组装的选择会促进拆解机制的进化，这些拆解机制是为了满足对速度的需求而产生的副产品，用于清除动力学上被困住的中间产物。

结论

在准确性也受到选择的典型生物学环境中，我们的结果表明纠错机制比预期更容易进化，因为它们带来了速度优势而非时间成本。这种耦合可以解释为什么在维持给定基因组大小所需的错误率下降之外，基因组大小还能继续增加，这意味着存在一种“复杂性棘轮”效应。现有的纠错机制使得基因组能够进一步扩大，从而编码更多的功能。这一原理可能不仅适用于中心法则酶，也适用于复杂分子机器的组装以及其他因错误而减慢任务完成速度的过程。

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纠错机制的进化源于对速度的选择。

（左）许多生物系统通过回溯来纠正错误，例如在DNA复制过程中进行校验或重新组装大分子复合体。这些纠正过程需要时间。（中）如果不进行纠正，错误会导致长时间的停滞；纠错速度慢的系统最终会先完成。（右）在仅对完成速度有选择压力的情况下（蓝色），进化会推动生物系统达到一个由停滞决定的权衡点（黑色），在这个点上，要提高速度就需要进化出纠错机制。t代表时间。

摘要

动力学校验是一种生物学中的纠错机制，它通过消耗能量来避免复制、转录和翻译过程中的错误。通常认为，当对保真度的选择超过能量成本和复制速度的成本时，校验机制就会进化。我们证明，在考虑了错误掺入后的停滞效应后，校验机制反而可以加速复制过程。与聚合酶突变实验数据一致，我们的结果表明，仅对速度的选择也可以促使校验机制的进化。我们将这一机制推广到多组分自组装过程，并发现类似的纠错过程（如动态不稳定性）也可以纯粹由对快速组装的选择驱动而产生。因此，即使没有直接的保真度优势，非平衡状态的纠错机制也可以从对速度的选择中进化出来。我们讨论了这对突变率进化、分子组装过程以及早期生命模型的影响。