令人迷惑的“Borg” DNA,真会同化其它生命体基因?

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提到Borgs(博格人),喜欢《星际迷航》(Star Trek)的读者一定知道,剧中的这个半机械半有机的宇宙种族是毫无疑问的大反派。他们同化(assimilate)那些他们认为有危险或者值得被同化的其他种族,获取对方的知识与技术,并将其改造为博格个体。Borgs的招牌台词是“Resistance is futile(抵抗只是徒劳)”,言下之意你们还不乖乖贡献出知识和技术,然后成为我们的一员?他们相信,通过不断的同化就让自己的种族成为宇宙中最完美的种族。

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博格人的影视剧造型。图片来源于网络


今天要聊的可不是科幻电影,而是美国加州大学伯克利分校Jill Banfield团队新发现的一类被命名为“Borgs”的DNA结构。这种巨型古细菌染色体外遗传因子(extrachromosomal element, ECE)既然被命名为Borgs,那是不是与《星际迷航》的博格人有什么相似之处?还真是这样,Banfield团队登载于bioRxiv 上的预印本论文表明,Borg DNA很可能具有同化吸收周边环境中各类基因序列的能力。博格人的名言“Resistance is futile”在地球上的微生物世界中可能同样适用。

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古细菌的扫描电镜照片。图片来源:Eye of Science/SPL


先来说一下ECE。顾名思义,ECE指的是染色体以外的遗传体系,微生物中最为人所知的ECE莫过于质粒(plasmid)。大多数微生物有一个或两个染色体来编码它们的主要遗传信息,但是它们可以包含多种不同的ECE,还可相互分享,这些ECE携带非必需但可能十分重要的基因,例如抗生素抗性基因。


Banfield团队采集到的Borg DNA来自美国西部地区淤泥样品中发现的古细菌,是一类与众不同的ECE。首先它们堪称ECE中的“巨人”—— Borg DNA长度可以接近并超过100万个碱基对,大约在 60万到100万个碱基对之间,这意味着其长度已经达到微生物主要染色体长度的三分之一。其次目前发现的Borg DNA的序列都是线性的,DNA链的两端都有镜像重复序列,内部还有许多其他重复序列。Jill Banfield等人认为,Borg DNA的巨大尺寸和线性基因组结构,使它们有别于质粒等已知ECE,而应被认为是一种新ECE。


那么,这些奇怪的Borg DNA从何而来,在生态环境中发挥着怎样的作用呢?2019年,Jill Banfield团队在美国加州的一处湿地中第一次发现Borg DNA,随后在科罗拉多州和加利福尼亚州类似的湿地中采集鉴定出19种不同类型的Borg DNA。他们通过DNA序列数据比对分析发现,Borg DNA与多种Methanoperedens 属的甲烷氧化古细菌具有相关性,但它们并不隶属于Methanoperedens 甲烷氧化古细菌基因组,也不隶属于其他古细菌基因组,它们更像是Methanoperedens古细菌的共生“盟友”。此外,Banfield团队认为Borg DNA也可能同化了其他生物体的基因。


他们还发现,Borgs基因组中部分基因某些区域GC含量升高到共生Methanoperedens 古细菌的水平,其表达的蛋白序列也与Methanoperedens 古细菌有一定的相似性,这表明这些基因是通过横向基因转移从Methanoperedens 古细菌获得的。但是Borg DNA与甲烷氧化古细菌基因最匹配的其它基因GC含量较低,这说明Borg DNA基因自横向转移过来后已部分或完全改变。

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Jill Banfield团队采集到的Borg DNA序列特征。图片来源:bioRxiv


由于Methanoperedens 古细菌能够通过氧化作用降解温室气体甲烷,Jill Banfield等人推测,Borg DNA可能也参与了这一过程。甲烷作为一种温室气体,其产生的温室效应大约是二氧化碳的 30 倍,每年栖息在缺氧环境中的产甲烷古细菌会产生约10亿吨甲烷,这对全球气候环境造成了巨大的影响。Jill Banfield团队一直致力于利用环境中同时存在甲烷氧化类微生物减少了甲烷在大气中的排放,Borg DNA的发现,让他们看到了希望。

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Borg DNA和Methanoperedens 古细菌共生的能量代谢示意。图片来源:bioRxiv


他们选择了一个Borg DNA序列进行详细分析。这个Borg DNA序列与一类丰度较高的Methanoperedens 古细菌共生。研究发现,这个Borg DNA含编码参与甲烷氧化的甲基辅酶M还原酶(MCR)复合体、参与细胞外电子转移的多血红素细胞色素(MHC)、参与中心碳代谢(合成聚羟基丁酸脂)以及参与胁迫响应/防御的相关因子序列。这些结果显示Borg DNA可能深度参与了甲烷氧化的能量代谢过程。有趣的是,Borg DNA中还含有靶向RNA的type III-A CRISPR-Cas系统,这显示其具有被改造为一种强大基因编辑技术的潜力。再加上这项工作的参与者中还有因发现CRISPR/Cas9“基因魔剪”而获得2020年诺贝尔化学奖的Jennifer A. Doudna教授,这给我们带来了更多的联想。


那么Borg DNA是如何进入Methanoperedens 古细菌的呢?Banfield团队猜测Borg DNA也曾经是完整的微生物,但后来被Methanoperedens 同化,这个过程类似真核细胞通过同化细菌获得产生能量的线粒体[1] 如果真是这样,同化别人的Borg DNA被Methanoperedens 古细菌同化,这就有意思了。


当然这项研究还有许多地方有待进一步完善,比如,由于Methanoperedens 古细菌目前仍不能在实验室培养,Borg DNA目前的实验数据仅限于基因序列的比对分析以及功能预测,Borg DNA所含的众多DNA重复序列扮演了怎样的功能角色还缺乏实锤证据。接下来的研究,可能会解开这些令学术界困惑的Borg DNA序列的谜团。

Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation

Basem Al-Shayeb, Marie C. Schoelmerich, Jacob West-Roberts, Luis E. Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen, Alexander Crits-Christoph, Michael J. Wilkins, Kenneth H. Williams, Jennifer A. Doudna, Jillian F. Banfield

bioRxiv2021, DOI: 10.1101/2021.07.10.451761

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