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神秘的“Mavericks”：跨物种传递基因的“便车司机”

iSynBio造物

2023-11-13

导读：类似转座子的遗传元素是“基因组演化的关键驱动因素”

内容概括

科学家发现，被称为“Mavericks”的遗传元件具有一些病毒特征，可能负责在物种之间大规模携带DNA。

这些元件可以将基因包裹在病毒样颗粒中，参与多种线虫之间的基因传递，表明水平基因转移在生命演化中可能扮演重要角色。

尽管多细胞动物通常有保护屏障来阻止外来DNA吸收，但这些元件有时可以打破这一障碍。

对Mavericks的研究对于理解基因的水平转移和生物的遗传进化具有重要意义，而其中类似转座子的基因组元件被认为是基因组演化的关键驱动因素。

一个多世纪以来，生物学家已经了解到了遗传规则的大致轮廓：基因在物种内部从父母传递给子代。

但是近年来，他们也意识到了一些基因会不受拘束地跨物种传播：例如马达加斯加的青蛙体内的基因最初来自蛇，或者在如鲱鱼等冷水鱼类中发现的抗冻基因转移到了胡瓜鱼。

促成这种基因转移的机制尚不清楚，但病毒被怀疑在其中起了作用。

在最新发表于《Science》的研究中，研究人员确定了一类独特的遗传元件，它们负责在称为线虫的多种简单无脊椎动物之间运送特定的基因。

基因从一个线虫“跳跃”到另一个线虫，听起来可能并不重要，但是问题在于，这些线虫在分子水平上的差异产生已经有数百万年之久，使它们在分子水平上与鱼类和人类并不相同。

这种被称为“Mavericks”的遗传元件已在无脊椎动物和脊椎动物等多种动物身上被检测到，它们显示出许多在病毒基因组中发现的特征。

鉴于这些特性，研究人员怀疑“Mavericks”以及类似的元件——包括尚未被发现的一些元件，可能在生命的演化历史中介导了水平基因转移。

尽管细菌、病毒和许多原生生物之间频繁地交换DNA，但多细胞动物的生殖细胞周围有保护屏障，这通常会阻止外来DNA的吸收。

马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的分子遗传学家Irina Arkhipova没有参与这项研究，她说，“这揭示了一些动物谱系中转移基因的障碍“偶尔会被打破”。

因此，另一位未参与此项研究的学者——斯托尔斯医学研究所的遗传学家SaraH Zanders评价说，“将基因转移到完全不同物种的DNA元件是相当重大的发现”。

研究小组领导Alejandro Burga（右），他的博士后研究员Sonya Widen以及他们在分子生物技术研究所的同事们认识到，线虫中一个名为Maverick的不寻常遗传元素的构造或许使其能够作为“基因载体”传递基因。

以往对水平基因转移的研究通常集中在被称为转座子的可移动遗传元件上。

这些享有特权的“跳跃基因”可以通过复制自身并插入其拷贝，从而在生物体的基因组间跳跃。

它们唯一关心的是在基因组内保证自己的生存，而不是宿主生物体的适应性，这就是为什么它们经常被归类为“自私”的基因。

由于短促的生命周期和简单的体型，线虫是研究这种基因寄生现象的理想模式生物。

一些线虫携带着一种非常有趣的自私基因，后代的生存取决于继承其中至少一份副本。

它含有两个基因，一个编码毒蛋白，另一个编码中和毒蛋白的解毒剂。携带这种元素的母虫将毒素沉积在卵中，当卵子受精后，只有能够表达解毒剂基因的后代存活下来。

这就好像是解毒剂的元素劫持了蠕虫的基因组，以确保其繁殖。

基因组间的基因粘贴

2021年，当Israel Campo Bes还是维也纳奥地利科学院分子生物技术研究所的研究生时，他有时会工作到很晚，只为在各种线虫中找到与毒素-解毒剂遗传元素相关的基因。

在一个微风习习的夏夜，工作到接近凌晨2点，他注意到了一件事情。

一类线虫中的毒素基因几乎与另一类线虫中的不同功能基因几乎完全相同。它们惊人地相似，其核苷酸相似性高达近乎97%。

“看起来就像一种线虫复制了其基因，然后以某种方式将它们粘贴到了另一种线虫的基因组中，”他说道。

实验室的高级分子遗传学家Alejandro Burga表示：“我也觉得这相当令人吃惊。”

为了揭示共享元素的起源，Burga和他的团队决定检查周围的DNA。

他们在周围的DNA中发现了重复序列——这是转座子的一个特征，通过确保插入的拷贝方向正确来帮助它们在基因组中跳跃。

该团队还发现了残余的几种病毒基因：一种表达包膜衣壳蛋白，一种通常有助于病毒复制，另一种是将病毒DNA整合到宿主基因组中的“粘合剂”。

Burga表示：“这就像是一次考古发掘——我们不断地发现线索。”

基因组的完整图像显示，穿梭基因嵌入在一组类似病毒的基因和一个转座子内，这些基因被Burga确认为组成Mavericks的一部分。

"Mavericks" 是一类古老且分散的跳跃基因，广泛存在于原生生物、真菌和动物（包括人类）的基因组中。

最初，人们假定这些庞大的移动元素是无效的、已经突变的过时基因的遗迹。

但后续的研究揭示了"Mavericks"可以被重新激活，并且可以介导一些原生生物物种之间的水平基因转移。

然而，完整的Mavericks还从未在多细胞生物中被表征过。因此，线虫提供了研究它们的罕见机会。

在其中一种线虫中，"Maverick" 多了一个额外的基因 —— 编码一种称为融合素的蛋白质的基因，该蛋白质使病毒能够与细胞融合并将其基因组传递给细胞。

Burga实验室的博士后研究员Sonya Angeline Widen是与Bes合作，共同领衔该项新研究的第一作者之一。

Sonya 表示，“没有融合素，病毒将无法转移其基因”。融合素的发现强烈暗示着这种"Maverick" 具有形成类似病毒的颗粒并侵入不同类型细胞的能力。

离经叛道的“Mavericks”

Burga的团队迅速挖掘线虫基因组数据库，寻找其他嵌入在“Mavericks”中以进行运输的基因的例子。

事实很快证明，他们发现的这个基因并不是水平基因转移的孤立案例。

在覆盖11个或更多属的100多个线虫基因组中，有两个基因家族经常被“Maverick”颗粒作为载体并在物种之间广泛传播。

从北美到印度，再到南非一公里深的金矿，或完整或不完整，全球不同的蠕虫种群中都残存有这类遗传元件。

尽管间接的证据强烈暗示这种“Maverick”有可能促成了线虫物种间的基因水平传递，但研究人员尚未亲眼目睹其具体行为。

Burga及其团队认识到，下一个重要步骤将是寻找一种方法，在显微镜下观察到诱导病毒样“Maverick”粒子形成的过程。

这项工作可能会带来实际利益。因为许多线虫物种都是寄生虫，感染农作物和牲畜，如果研究人员了解“Mavericks”的工作原理，也许可以利用它们将特定基因引入到这些线虫的基因组中来控制寄生虫。

Burga表示：“这不是我们可以立刻做到的事情，但希望在几年内能够实现。”

有理由相信，使用大规模转座子进行基因转移在自然界中可能更为常见。

瑞典乌普萨拉大学的Aaron Vogan领导的最新研究发现，被称为“Starships”的巨大移动遗传元素可以在多种真菌物种之间携带基因。

Vogan认为，在真菌病原体之间转移关键基因的“Starships”可能创造了导致小麦疾病（如斑点病）滚动流行的新菌株。

自20世纪70年代以来，这些疾病已经在全球范围内造成了作物的重大损失，在极端情况下，收成损失可达50%以上。

沃根表示：“因此，了解基因组中的这种水平基因转移所导致的变化动态对整个生物学都具有重要影响。”

Zanders表示，研究人员已经开始认识到，类似转座子的遗传元素是“基因组演化的关键驱动因素”。她补充说：“为了真正理解基因组，我们必须了解这些能在物种间跳跃的‘自私元件’。”

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/selfish-virus-like-dna-can-carry-genes-between-species-20230803/

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译者/张皓铭、雷佳轩

审核/莫十二

编辑/麦璇风

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【声明】内容源于网络

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