在動物身上發(fā)現(xiàn)新的 DNA 修飾系統(tǒng)—這幾乎令人難以置信
海洋生物實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們在一種名為 bdelloid rotifer （Adineta vaga，中心，在顯微鏡下看到）的微小生物體中發(fā)現(xiàn)了一種新的基因改造形式。圖片來源：顯微鏡圖片由 M. Shribak 和 I. Arkhipova 提供
海洋生物實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了 6000 萬年前從細(xì)菌中捕獲的基因。
你的DNA擁有構(gòu)建你身體的藍(lán)圖，但它是一個活生生的文件：可以通過表觀遺傳標(biāo)記對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。對這些標(biāo)記及其工作方式進(jìn)行編目對于了解生物學(xué)和遺傳學(xué)以及提出治療疾病和紊亂的療法非常重要。
在人類和我們的真核生物中，已知兩個主要的表觀遺傳標(biāo)記。但是芝加哥大學(xué)附屬海洋生物實(shí)驗(yàn)室的一個團(tuán)隊(duì)在稱為貝氏輪蟲的小型淡水動物中發(fā)現(xiàn)了第三種新的表觀遺傳標(biāo)記——以前只存在于細(xì)菌中。
這一基本而令人驚訝的發(fā)現(xiàn)于 2022 年 2 月 28 日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。
“我們早在 2008 年就發(fā)現(xiàn)，貝類輪蟲非常擅長捕獲外來基因，”資深作者、海洋生物實(shí)驗(yàn)室約瑟芬灣保羅中心的高級科學(xué)家 Irina Arkhipova 說。“我們在這里發(fā)現(xiàn)的是，大約 6000 萬年前的輪蟲意外地捕獲了一個細(xì)菌基因，使它們能夠引入一種以前不存在的新的表觀遺傳標(biāo)記。”
“跳躍基因”
表觀遺傳標(biāo)記是對 DNA 堿基的修飾，它不會改變潛在的遺傳密碼，但會在其上“寫入”額外的信息，這些信息可以與您的基因組一起遺傳。表觀遺傳標(biāo)記通常通過打開或關(guān)閉基因來調(diào)節(jié)基因表達(dá)，特別是在早期發(fā)育期間或身體處于壓力之下時。它們還可以抑制可能威脅基因組完整性的轉(zhuǎn)座子或“跳躍基因”。
這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著水平轉(zhuǎn)移基因——即非通過有性生殖從另一種生物體獲得的基因——首次被證明可以重塑真核生物的基因調(diào)控系統(tǒng)。
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“這是非常不尋常的，以前沒有報道過，”Arkhipova 說?！八睫D(zhuǎn)移的基因被認(rèn)為優(yōu)先是操作基因，而不是調(diào)節(jié)基因。很難想象一個單一的水平轉(zhuǎn)移基因會如何形成一個新的調(diào)控系統(tǒng)，因?yàn)楝F(xiàn)有的調(diào)控系統(tǒng)已經(jīng)非常復(fù)雜。”
“這幾乎令人難以置信，”共同第一作者、Arkhipova 實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家 Irina Yushenova 說。
Yushenova 解釋了這個過程是如何發(fā)生的：“試著想象一下，在過去的某個地方，一段細(xì)菌DNA 碰巧融合到一段真核 DNA 上。它們都加入了輪蟲的基因組，并形成了一種功能酶。即使在實(shí)驗(yàn)室里，這也不是那么容易做到的，而且它自然而然地發(fā)生了。然后這種復(fù)合酶創(chuàng)造了這個驚人的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，貝氏輪蟲能夠開始使用它來控制所有這些跳躍的轉(zhuǎn)座子。這就像魔術(shù)一樣?！?/p>
轉(zhuǎn)座子是基因組內(nèi)從一個地方移動到另一個地方的基因的術(shù)語，它可以改變遺傳密碼的好壞，因此控制它們非常重要。
“你不希望轉(zhuǎn)座子在你的基因組中跳躍，”該研究的第一作者費(fèi)爾南多羅德里格斯說，他也是 Arkhipova 實(shí)驗(yàn)室的研究科學(xué)家。“他們會把事情搞砸，所以你要控制他們。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的表觀遺傳系統(tǒng)在不同的動物中是不同的。在這種情況下，從細(xì)菌到貝氏輪蟲的水平基因轉(zhuǎn)移在動物身上創(chuàng)造了一個以前沒有被描述過的新的表觀遺傳系統(tǒng)。”
“尤其是貝類輪蟲，必須控制它們的轉(zhuǎn)座子，因?yàn)樗鼈冎饕菬o性繁殖，”Arkhipova 說?！盁o性譜系抑制有害轉(zhuǎn)座子增殖的方法較少，因此增加額外的保護(hù)層可以防止突變崩潰。事實(shí)上，與基因組防御系統(tǒng)中沒有這種額外表觀遺傳層的有性真核生物相比，貝類中的轉(zhuǎn)座子含量要低得多?！?/p>
在真核生物中兩個先前已知的表觀遺傳標(biāo)記中，甲基被添加到 DNA 堿基上，胞嘧啶或腺嘌呤。該團(tuán)隊(duì)新發(fā)現(xiàn)的標(biāo)記也是一種胞嘧啶修飾，但甲基具有獨(dú)特的細(xì)菌樣定位——本質(zhì)上是重述了超過 20 億年前的進(jìn)化事件，當(dāng)時早期真核生物中出現(xiàn)了傳統(tǒng)的表觀遺傳標(biāo)記。
干燥與發(fā)現(xiàn)
正如 MBL 的 Arkhipova 和 David Mark Welch 實(shí)驗(yàn)室多年來發(fā)現(xiàn)的那樣，Bdelloid 輪蟲是極有彈性的動物。它們一次可以完全干涸數(shù)周或數(shù)月，然后在有水時恢復(fù)生機(jī)。在它們的干燥階段，它們的 DNA 分解成許多片段。
“當(dāng)它們再水化或以其他方式使它們的 DNA 末端可接近時，這可能是來自攝入的細(xì)菌、真菌或微藻的外來 DNA 片段轉(zhuǎn)移到輪蟲基因組中的機(jī)會，”Arkhipova 說。他們發(fā)現(xiàn)，大約 10% 的輪蟲基因組來自非后生動物來源。
盡管如此，Arkhipova 實(shí)驗(yàn)室還是驚訝地發(fā)現(xiàn)輪蟲基因組中的一個基因類似于細(xì)菌甲基轉(zhuǎn)移酶（甲基轉(zhuǎn)移酶是一種催化甲基轉(zhuǎn)移到 DNA 的分子）。“我們假設(shè)這個基因賦予了這種抑制轉(zhuǎn)座子的新功能，我們在過去的六年里證明了這一點(diǎn)，確實(shí)如此，”Arkhipova 說。
現(xiàn)在要知道在輪蟲中發(fā)現(xiàn)這種新的表觀遺傳系統(tǒng)可能意味著什么還為時過早。但平行的發(fā)現(xiàn)對生物學(xué)產(chǎn)生了重大影響。
“一個很好的比較是細(xì)菌中的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，它最初是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)?，F(xiàn)在 CRISPR-Cas9 被用作在其他生物體中進(jìn)行基因編輯的工具，”羅德里格斯說。“這是一個新系統(tǒng)。它會對未來的研究產(chǎn)生應(yīng)用和影響嗎？很難說。”
參考文獻(xiàn)：
“細(xì)菌 N4-甲基胞嘧啶作為真核 DNA 中的表觀遺傳標(biāo)記”，作者：Fernando Rodriguez、Irina A. Yushenova、Daniel DiCorpo 和 Irina R. Arkhipova，2022 年 2 月 28 日，Nature Communications。
DOI：10.1038/s41467-022-28471-w
資助：美國國立衛(wèi)生研究院
海洋生物實(shí)驗(yàn)室致力于科學(xué)發(fā)現(xiàn)——探索基礎(chǔ)生物學(xué)，了解海洋生物多樣性和環(huán)境，并通過研究和教育了解人類狀況。MBL 于 1888 年在馬薩諸塞州伍茲霍爾成立，是一家私人非營利機(jī)構(gòu)，是芝加哥大學(xué)的附屬機(jī)構(gòu)。