在动物身上发现新的 DNA 修饰系统—这几乎令人难以置信

海洋生物实验室的科学家们在一种名为 bdelloid rotifer （Adineta vaga，中心，在显微镜下看到）的微小生物体中发现了一种新的基因改造形式。图片来源：显微镜图片由 M. Shribak 和 I. Arkhipova 提供

海洋生物实验室发现了 6000 万年前从细菌中捕获的基因。

你的DNA拥有构建你身体的蓝图，但它是一个活生生的文件：可以通过表观遗传标记对设计进行调整。对这些标记及其工作方式进行编目对于了解生物学和遗传学以及提出治疗疾病和紊乱的疗法非常重要。

在人类和我们的真核生物中，已知两个主要的表观遗传标记。但是芝加哥大学附属海洋生物实验室的一个团队在称为贝氏轮虫的小型淡水动物中发现了第三种新的表观遗传标记——以前只存在于细菌中。

这一基本而令人惊讶的发现于 2022 年 2 月 28 日发表在《自然通讯》杂志上。

“我们早在 2008 年就发现，贝类轮虫非常擅长捕获外来基因，”资深作者、海洋生物实验室约瑟芬湾保罗中心的高级科学家 Irina Arkhipova 说。“我们在这里发现的是，大约 6000 万年前的轮虫意外地捕获了一个细菌基因，使它们能够引入一种以前不存在的新的表观遗传标记。”

“跳跃基因”

表观遗传标记是对 DNA 碱基的修饰，它不会改变潜在的遗传密码，但会在其上“写入”额外的信息，这些信息可以与您的基因组一起遗传。表观遗传标记通常通过打开或关闭基因来调节基因表达，特别是在早期发育期间或身体处于压力之下时。它们还可以抑制可能威胁基因组完整性的转座子或“跳跃基因”。

这一发现标志着水平转移基因——即非通过有性生殖从另一种生物体获得的基因——首次被证明可以重塑真核生物的基因调控系统。

相关推荐：偏光显微镜介绍及应用领域

“这是非常不寻常的，以前没有报道过，”Arkhipova 说。“水平转移的基因被认为优先是操作基因，而不是调节基因。很难想象一个单一的水平转移基因会如何形成一个新的调控系统，因为现有的调控系统已经非常复杂。”

BX43奥林巴斯生物显微镜

“这几乎令人难以置信，”共同第一作者、Arkhipova 实验室的研究科学家 Irina Yushenova 说。

Yushenova 解释了这个过程是如何发生的：“试着想象一下，在过去的某个地方，一段细菌DNA 碰巧融合到一段真核 DNA 上。它们都加入了轮虫的基因组，并形成了一种功能酶。即使在实验室里，这也不是那么容易做到的，而且它自然而然地发生了。然后这种复合酶创造了这个惊人的调节系统，贝氏轮虫能够开始使用它来控制所有这些跳跃的转座子。这就像魔术一样。”

转座子是基因组内从一个地方移动到另一个地方的基因的术语，它可以改变遗传密码的好坏，因此控制它们非常重要。

“你不希望转座子在你的基因组中跳跃，”该研究的第一作者费尔南多罗德里格斯说，他也是 Arkhipova 实验室的研究科学家。“他们会把事情搞砸，所以你要控制他们。而实现这一目标的表观遗传系统在不同的动物中是不同的。在这种情况下，从细菌到贝氏轮虫的水平基因转移在动物身上创造了一个以前没有被描述过的新的表观遗传系统。”

“尤其是贝类轮虫，必须控制它们的转座子，因为它们主要是无性繁殖，”Arkhipova 说。“无性谱系抑制有害转座子增殖的方法较少，因此增加额外的保护层可以防止突变崩溃。事实上，与基因组防御系统中没有这种额外表观遗传层的有性真核生物相比，贝类中的转座子含量要低得多。”

在真核生物中两个先前已知的表观遗传标记中，甲基被添加到 DNA 碱基上，胞嘧啶或腺嘌呤。该团队新发现的标记也是一种胞嘧啶修饰，但甲基具有独特的细菌样定位——本质上是重述了超过 20 亿年前的进化事件，当时早期真核生物中出现了传统的表观遗传标记。

干燥与发现

正如 MBL 的 Arkhipova 和 David Mark Welch 实验室多年来发现的那样，Bdelloid 轮虫是极有弹性的动物。它们一次可以完全干涸数周或数月，然后在有水时恢复生机。在它们的干燥阶段，它们的 DNA 分解成许多片段。

“当它们再水化或以其他方式使它们的 DNA 末端可接近时，这可能是来自摄入的细菌、真菌或微藻的外来 DNA 片段转移到轮虫基因组中的机会，”Arkhipova 说。他们发现，大约 10% 的轮虫基因组来自非后生动物来源。

尽管如此，Arkhipova 实验室还是惊讶地发现轮虫基因组中的一个基因类似于细菌甲基转移酶（甲基转移酶是一种催化甲基转移到 DNA 的分子）。“我们假设这个基因赋予了这种抑制转座子的新功能，我们在过去的六年里证明了这一点，确实如此，”Arkhipova 说。

现在要知道在轮虫中发现这种新的表观遗传系统可能意味着什么还为时过早。但平行的发现对生物学产生了重大影响。

“一个很好的比较是细菌中的 CRISPR-Cas 系统，它最初是一项基础研究发现。现在 CRISPR-Cas9 被用作在其他生物体中进行基因编辑的工具，”罗德里格斯说。“这是一个新系统。它会对未来的研究产生应用和影响吗？很难说。”

参考文献：

“细菌 N4-甲基胞嘧啶作为真核 DNA 中的表观遗传标记”，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

资助：美国国立卫生研究院

海洋生物实验室致力于科学发现——探索基础生物学，了解海洋生物多样性和环境，并通过研究和教育了解人类状况。MBL 于 1888 年在马萨诸塞州伍兹霍尔成立，是一家私人非营利机构，是芝加哥大学的附属机构。