Science：新研究在动物中发现介导水平基因转移的载体---病毒样转座子

几十年来，科学家们已经知道基因可以从一种物种转移到另一种物种，无论是动物还是植物。然而，这类看似不可能发生的事件是如何发生的，其机制仍然是未知的。如今，来自奥地利科学院分子生物技术研究所Alejandro Burga实验室的研究人员在线虫中发现了一种水平基因转移（horizontal gene transfer, HGT）的载体。这些发现可能会导致在真核生物中发现更多的HGT载体，并可能在病原体控制中找到应用。相关研究结果发表在2023年6月30日的Science期刊上，论文标题为“Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities”。

生活在北极和南极海洋的鱼类已经进化出巧妙的策略，以防止它们的血液和组织在不适宜居住的极地水域中冻结。其中的一种适应性策略是进化出产生抗冻蛋白的基因。然而，十多年前，科学家们惊奇地发现，鲱鱼和胡瓜鱼---两个完全不同的物种---在它们的基因组中编码了完全相同的防冻蛋白，表明它们之间有基因转移。

诸如此类的例子提出了一个问题：基因如何能在完全不同的物种之间“跳跃”？这种罕见的现象被称为HGT，长期以来一直令进化生物学家感到困惑。尽管多年来在所有的生命分支中都发现了新的HGT实例，但负责这些转移的机制在很大程度上仍然是未知的。

如今，Burga实验室不仅在动物王国中当场抓住了一个HGT事件，而且他们还确定了长期寻找的载体之一。通过基因侦查工作，Burga和他的团队展示了两种生殖隔离的线虫物种之间的HGT事件，这两种物种在基因上的差异就像人类与鱼类一样。更重要的是，他们可以确定这是什么原因造成的：一个叫做Mavericks的病毒样转座子（virus-like transposon）家族。

锁定罪魁祸首：Mavericks作为HGT的载体

Burga说，“Mavericks作为一类转座子已经为人所知，但我们的研究首次将它们与HGT联系起来。”论文共同第一作者、Burga实验室博士后研究员Sonya Widen补充说，“我们知道HGT确实发生在不同的动物物种之间，但我们不知道如何发生。这是我们第一次能够明确地确定一个罪魁祸首。”

当Mavericks在2000年代中期被发现时，它们最初被认为是大型转座子，即以损害宿主为代价在宿主的基因组中跳跃和自我增殖的自私遗传因子。Mavericks斯很快就在包括人类在内的大多数真核生物分支中被报道，从而确定它们起源于很早以前。

转座子和病毒，大自然的大熔炉？

很快，表明Mavericks含有编码病毒组分（比如衣壳和DNA聚合酶）的基因的证据开始浮现出来。Burga说，“转座子和病毒的进化是紧密相连的。然而，衣壳和DNA聚合酶还不足以让转座子从其宿主的基因组中外溢出来，感染一种完全不同的宿主的细胞。”

如今，Burga团队找到了缺失的环节： 线虫基因组中的Mavericks获得了一种所谓的fusogen蛋白，即一种介导不同细胞之间膜融合的跨膜蛋白。他们假设通过获得fusogen，线虫Mavericks变得能够形成类似病毒的颗粒，能够与另一种有机体的细胞膜融合并感染它们。

Widen说，“据我们所知，以前没有在Mavericks中报道过fusogen的存在。因此，我们认为线虫Mavericks可能从病毒中获得了它们的序列。转座子和病毒可以被认为是大自然的熔炉。它们的结合可以产生不可预知的影响，并导致基因组创新。”

证实线虫中HGT的重要性

在这项新的研究中，Burga团队、Widen以及Burga实验室的前硕士生Israel Campo Bes发现了HGT，正如Widen所说，这一发现“完全是偶然的”。事实上，该团队正在研究线虫Caenorhabditis briggsae中一种自私遗传因子的进化起源。通过一些侦查工作，他们能够将这种自私基因的序列追溯到另一种线虫C. plicata，后者携带着几乎相同的基因拷贝。

Mavericks介导不同线虫之间的HGT。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0705。

这一发现令人惊讶，因为C. briggsae和C. plicata是两种生殖隔离的物种。Campo Bes说，“它们的基因组就像人类和鱼类的基因组一样存在差异，然而它们都有一个几乎相同的基因，从而清楚地显示出进化上近期发生的HGT事件的特征。”

Widen解释说，“通过仔细观察C. plicata的基因组，我们发现在C. briggsae中产生自私基因的祖先序列被嵌入到C. plicata的Maverick里面。这个新引入的基因后来在C. briggsae中进化成了一个新的自私基因，这表明HGT对基因组进化的影响。”Burga团队接着发现Mavericks对属于不同属的分布在全球不同地方的线虫物种之间的几十个独立HGT转移事件负责。

农业和医学上的意义

Burga团队认为，转座子和病毒之间的结合是调节HGT的一个关键因素。虽然仍然难以相信他们的成功，但他们认识到他们的发现可能对揭开HGT的神秘面纱产生的影响。Burga说，“当我们第一次在实验室里看到这些结果时，我确信我们看到的是一个HGT的例子，但我也确信我们永远不会发现它是如何发生的。然而，我们的运气不错。”他还预测Mavericks和类似病毒的转座因子可能在脊椎动物和其他真核生物中介导HGT。

最后，该团队预见到了在实验室和作为针对寄生线虫的害虫控制措施的可能应用。Burga总结道，“如果Maverick介导的HGT被证明广泛适用于任何线虫物种，它有可能成为一种宝贵的资源。除了严格的实验室和研究应用，如非模型线虫的遗传操作，这样的资源可以让我们在未来对可能具有农业或医学意义的寄生线虫物种进行遗传改造。” （生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1. Sonya A. Widen et al. Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities. Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0705.

2. Virus-like transposons cross the species barrier, study shows
https://phys.org/news/2023-06-virus-like-transposons-species-barrier.html