自私的类似病毒的DNA能在物种之间携带基因

有某些病毒特征叫持异见者的基因元素可能对物种之间大规模走私DNA是负责的。

GENOMICS

叫持异见者的不寻常基因元素能将一个基因捆绑在一个病毒一样的颗粒中，似乎在许多种类的蛔虫之间运输了一个基因。Kristina Armitage/Quanta Magazine; source: Ruben Duro/Science Source

BySaugat Bolakhe

Writing Intern

August 3, 2023

一个多世纪以来，生物学家已经了解遗传的规则的大致轮廓：基因在物种内被从父母传给孩子。但近年来，他们也已经变得晓知在物种之间流氓走的和横向跳跃的基因------无论是最初马达加斯加来自蛇的青蛙基因还是在冷水鱼（如鲱鱼）中发现的防冻基因转移到胡瓜鱼上。促进这种基因转移的机制一直是不清楚的，尽管病毒被怀疑起一个角色。

在发表在《科学》杂志上的新研究中，研究人员已经识别了一类独特的基因元素为代理负责在多种叫蛔虫的简单无脊椎动物之间穿梭某些基因。从一种蠕虫跳到另一种蠕虫可能听起来不多，但问题中的蠕虫在数百万年前就分化了，使它们在分子水平上与鱼类和人类不同的。这种叫持异见者的基因元素已经被在无脊椎动物和脊椎动物的各种动物中检测到，它们显示被发现在病毒的基因组中的许多特征。鉴于这些属特，研究人员怀疑持异见者 ------以及类似的元素包括一些未被发现------可能已经在整个生命历史介导了水平基因转移。

虽然细菌、病毒和许多原生生物频繁的交换DNA，但多细胞动物围绕它们的生殖细胞有通常会阻止外来DNA的吸收的保护屏障。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的分子遗传学家伊琳娜·阿尔希波娃（Irina Arkhipova）没有参与这项研究，她说它揭示在某些动物谱系中“屏障偶尔能被打破”来转移基因。

斯托维尔斯医学研究所的遗传学家萨兰赞迪尔斯说，出于这个原因，一个编码来转移基因到一个完全不同物种基因组的能力的DNA元件是“一个相当大的发现”，他也没有参与这项研究。

小组组长亚历杭德罗·布尔加（右）、他的博士后研究员索尼娅·维登（Sonya Widen）和他们在分子生物技术研究所的同事意识到一个持异见者在蛔虫中的不寻常组成可能使它能够将基因作为“货物”运输。Adam Cooper

以前的水平转移的研究往往集中在叫转座子的移动基因元件上。这些享有特权的“跳跃基因”能通过复制它们自己并插入它们的拷贝围着一个生物体的基因组跳跃。它们唯一关心的是促进它们自己在基因组内的生存而不是生物体的适合性，这就是为什么它们往往被归类为“自私的”基因。由于蛔虫有一个快的生命周期和一个简单的身体计划，它们是研究这种遗传寄生的理想模式生物。

一些蛔虫携带着是如此自私的基因元素，后代的生存铰在至少继承它的一个副本上。它包含两个基因，一个编码一个有毒蛋白质，另一个编码中和毒素的一个解毒剂。一个携带这种元素的母虫将毒素沉积在她的卵中。当卵子受精时，只有能够表达解毒剂基因的后代存活。就好像毒素解毒剂元素已经劫持了蠕虫的基因组作为人质来确保它的传播一样。

在基因组之间粘贴基因

2021年，以色列的赞迪尔斯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在各种蛔虫中寻找被与毒素解毒剂基因元素相关的基因。一个微风习习的夏夜将近凌晨2点，他注意到了某些东西。一种蠕虫中的毒素基因看起来几乎像一个在另一种蠕虫中有一个不同功能的基因一样。它们是惊人的相似------近97%的核苷酸相似性。他说，“看起来好像一只蠕虫已经复制了它的基因并不知怎的将它们粘贴到另一只蠕虫的基因组中”。

实验室的高级分子遗传学家亚历杭德罗·布尔加（Alejandro Burga）说，“我也发现这相当令人惊讶”。为揭开共享元素的起源，布尔加和团队决定来检查周围的DNA。他们在基因两侧的DNA中发现了重复的序列------一个转座子的帮助它们在基因组内跳跃确保插入的拷贝保持正确的方向的特征。研究小组还发现了几种病毒基因的残余物：一个是用于包裹衣壳蛋白、一个是通常帮助病毒复制，另一个是用于将病毒DNA结合到一个宿主基因组的“胶”。

抽象导航承诺的科学和数学途的想法。与我们一起旅行并加入对话。

布尔加说，“这就像一次考古挖掘 ------我们保持了发现线索”。

基因组的完整图片揭示了穿梭基因被嵌入在一组病毒样基因和一个转座子中，布尔加认为所有这些为构成一个持异见者。

持异见者是一类古老和零散的跳跃基因，普遍存在于原生生物、真菌和动物的基因组中，包括人类。这些巨大的移动元素最初被假定是荒弃基因的不活跃突变遗物。但后来的研究揭示了持异见者能被重新激活，它们能介导某些原生生物之间的水平基因转移。彻底的、完整的持异见者从未在多细胞生物中被表征过。因此，蛔虫为来研究它们提供了一个罕见的机会。

然而，其中一种蛔虫中的持异见者有一个额外的基因-------一个编码一种叫一个促融剂的使病毒能够与一个细胞融合并将它的基因组转移进细胞中的蛋白质。布尔加实验室的与赞迪尔斯共同撰写新研究的博士后研究员索尼娅安洁琳维登说，“没有促融剂，病毒会不能转移它的基因”。这种蛋白质的发现强烈提示这种持异见者有能力来形成病毒一样的颗粒并侵入不同的细胞类型。

持异见者做非正统的

布尔加的团队迅速挖掘了蛔虫基因组数据库，寻找其他嵌入的如在持异见者中运输货物基因一样的例子。很快变成了他们已经发现的基因转移并不是一个孤立的横向基因转移的案例。在跨越11个或更多属的100多个蛔虫基因组中，两个基因家族已经经常被持异见者的粒子作为货物拿起并在物种之间广泛转移。基因元素的完整和不完整的遗骸渗透到全球不同的蠕虫种群中，从北美到印度，再到南非一公里深的金矿，持异见者做非正统的。

尽管间接证据强烈提示这种持异见者使蛔虫物种之间的基因水平转移成为可能，但研究人员尚未捕捉到行动中的它。布尔加和他的团队认识到，他们重要的下一步将是找到一种在显微镜下观察它们时诱导病毒一样的持异见者颗粒的形成方法。

这项工作可能会有实际好处。许多蛔虫是感染农作物和牲畜的寄生虫。如果研究人员了解持异见者如何工作，有可能通过向寄生虫引入基因来用它们控制寄生虫。

RELATED:

1.                            DNA Jumps Between Animal Species. No One Knows How Often.

2.                            How Genes Can Leap From Snakes to Frogs in Madagascar

3.                            Chronological Clues to Life’s Early History Lurk in Gene Transfers

有理由相信，使用大量转座子的基因转移在自然界中可能更常见。瑞典乌普萨拉大学的亚伦·沃根（Aaron Vogan）最近领导的研究已经发现，大量的移动的叫星际飞船的基因元素在多种真菌中穿梭基因。沃根怀疑星际飞船在真菌病原体之间转移关键基因可能已经创造了导致小麦病害滚动流行的新菌株如棕褐斑病（黄叶斑病）。自1970年代以来，这些疾病在世界范围内造成了重大作物损失，在极端情况下收成损失超过50%。沃根说，“因此，了解这种水平基因转移的基因组中的变化的动力学已经影响整个生物学”。

赞迪尔斯说，研究人员已经来评价转座子一样的基因元素是“基因组进化的关键驱动力”。她补充说，要真正了解基因组，我们必须了解这些能在物种之间跳跃的“自私的元素”。

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