在動物中發(fā)現(xiàn)的新DNA修飾系統(tǒng)——從6000萬年前的細菌中捕獲
你的DNA擁有構(gòu)建你身體的藍圖，但它是一個活生生的文件：可以通過表觀遺傳標記對設(shè)計進行調(diào)整。
表觀遺傳標記是對 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。表觀遺傳標記通常調(diào)節(jié)基因表達——打開或關(guān)閉基因——特別是在早期發(fā)育或身體處于壓力之下時。它們還可以抑制“跳躍基因”——威脅基因組完整性的轉(zhuǎn)座因子。
在人類和其他真核生物中，已知兩個主要的表觀遺傳標記。海洋生物實驗室 (MBL) 的一個團隊在小型淡水動物貝氏輪蟲中發(fā)現(xiàn)了第三種新的表觀遺傳標記——以前只在細菌中發(fā)現(xiàn)。這一基本而令人驚訝的發(fā)現(xiàn)本周在Nature Communications 上進行了報道。
多色偏光顯微鏡下的貝氏輪蟲（Adineta vaga）。作者：M. Shribak 和 I. Yushenova
“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，”MBL 約瑟芬灣保羅中心的資深科學家、資深作者 Irina Arkhipova 說。“我們在這里發(fā)現(xiàn)的是，大約 6000 萬年前的輪蟲意外捕獲了一個細菌基因，該基因使它們能夠引入一種以前不存在的新表觀遺傳標記?！?這是第一次顯示水平轉(zhuǎn)移的基因可以重塑真核生物的基因調(diào)控系統(tǒng)。
“這是非常不尋常的，以前沒有報道過，”Arkhipova 說。“水平轉(zhuǎn)移的基因被認為優(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)，因為現(xiàn)有的調(diào)控系統(tǒng)已經(jīng)非常復雜。”
“這幾乎令人難以置信，”共同第一作者、Arkhipova 實驗室的研究科學家 Irina Yushenova 說?！霸囍胂笠幌?，在過去的某個地方，一段細菌 DNA 碰巧融合到了一段真核 DNA 上。它們都加入了輪蟲的基因組，并形成了一種功能酶。即使在實驗室里，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>
“你不希望轉(zhuǎn)座子在你的基因組中跳躍，”第一作者費爾南多羅德里格斯說，他也是 Arkhipova 實驗室的研究科學家。“他們會把事情搞砸，所以你要控制他們。而實現(xiàn)這一目標的表觀遺傳系統(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)?！?/p>
“尤其是貝類輪蟲，必須控制它們的轉(zhuǎn)座子，因為它們主要是無性繁殖，”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層可以防止突變崩潰。事實上，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。”
在真核生物中兩個先前已知的表觀遺傳標記中，甲基被添加到 DNA 堿基上，胞嘧啶或腺嘌呤。該團隊新發(fā)現(xiàn)的標記也是一種胞嘧啶修飾，但甲基具有獨特的細菌樣定位——本質(zhì)上是在重演超過 20 億年前的進化事件，當時早期真核生物中出現(xiàn)了傳統(tǒng)的表觀遺傳標記。
正如 MBL 的 Arkhipova 和 David Mark Welch 實驗室多年來發(fā)現(xiàn)的那樣，Bdelloid 輪蟲是極有彈性的動物。它們可以一次完全干涸（干燥）數(shù)周或數(shù)月，然后在有水時恢復生機。在它們的干燥階段，它們的 DNA 會分解成許多片段?！爱斔鼈冊偎蛞云渌绞绞顾鼈兊?DNA 末端可接近時，這可能是來自攝入的細菌、真菌或微藻的外來 DNA 片段轉(zhuǎn)移到輪蟲基因組中的機會，”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 實驗室仍然驚訝地發(fā)現(xiàn)輪蟲基因組中的一個基因類似于細菌甲基轉(zhuǎn)移酶（甲基轉(zhuǎn)移酶催化甲基轉(zhuǎn)移到 DNA）?！拔覀兗僭O(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，確實如此，”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?！耙粋€很好的比較是細菌中的 CRISPR-Cas 系統(tǒng)，它最初是一項基礎(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)生應用和影響嗎？很難說。”
這些發(fā)現(xiàn)為研究輪蟲系統(tǒng)中基因組功能和恢復力的新工具和研究方向打開了大門。在未來，這些知識可能會以創(chuàng)造性的方式應用，在這個環(huán)境快速變化的時期影響社會。
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參考文獻：
“細菌 N4-甲基胞嘧啶作為真核 DNA 中的表觀遺傳標記”，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
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