《Science》病毒样转座子在物种屏障上发动战争

　　几十年来，科学家们已经知道，无论是动物还是植物，基因都可以从一个物种转移到另一个物种。然而，这种不太可能发生的事件发生的机制仍然未知。现在，来自奥地利科学院分子生物技术研究所(IMBA) Alejandro Burga实验室的研究人员在线虫体内发现了一种水平基因转移(HGT)载体。这一发现发表在6月29日的《Science》杂志上，可能会导致在真核生物中发现更多HGT载体，并可能在病原体控制中找到应用。

　　

生活在北极和南极海洋的鱼类已经进化出了巧妙的策略，以防止它们的血液和组织在不适宜居住的极地水域冻结。一种这样的适应策略是产生抗冻蛋白的基因的进化。然而，十多年前，科学家们惊讶地发现，鲱鱼和胡瓜鱼这两种完全不同的物种，在它们的基因组中编码了完全相同的抗冻蛋白，这表明它们之间存在基因转移。诸如此类的例子提出了一个问题:基因如何在完全不同的物种之间“跳跃”?这种罕见的现象被称为水平基因转移(HGT)，长期以来一直困扰着进化生物学家。尽管多年来在所有生命分支中都发现了HGT的新实例，但负责这些转移的机制在很大程度上仍然未知。

现在，来自IMBA的Alejandro Burga小组的科学家们不仅在动物王国中发现了HGT事件，而且还确定了其长期寻找的载体之一。通过基因探测工作，Burga和他的团队展示了两种生殖隔离的线虫之间的HGT事件，这两种线虫之间的基因差异就像人与鱼之间的基因差异一样。更重要的是，他们可以确定导致它的原因:一个名为Mavericks的病毒样转座子家族。

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，自私的基因元件，在基因组中跳跃和自我繁殖，以牺牲宿主为代价。在包括人类在内的大多数真核生物分支中，Mavericks很快被报道出来，从而确定它们起源于很久以前。

很快，Mavericks含有编码病毒元素(如衣壳和DNA聚合酶)的基因的证据开始浮出水面。现在，IMBA的研究人员发现了缺失的环节:线虫基因组中的Mavericks获得了一种所谓的fusogen蛋白，这是一种跨膜蛋白，可以介导不同细胞之间的膜融合。作者推测，通过获得fusogen，线虫Mavericks能够形成类似病毒的颗粒，这种颗粒可以与另一种生物体的细胞膜融合并感染它们。

在新发表的研究中，由Alejandro Burga领导的IMBA团队和共同第一作者Sonya Widen和Israel Campo Bes(Burga实验室的前硕士研究生)“完全偶然”发现了HGT，正如Burga所说。事实上，该团队正在研究线虫中一个自私元素的进化起源。通过一些侦查工作，他们能够将这个自私基因的序列追溯到另一种线虫，它携带着一个几乎相同的拷贝。这一发现令人惊讶，因为两种线虫，C. briggsae和C. plicata，是两个生殖隔离的物种。“它们的基因组就像人类和鱼类一样不同，但它们都有一个几乎相同的基因，这清楚地显示出最近进化中发生的HGT事件的特征。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嵌入在C. plicata的Maverick中。这种新引入的基因随后在C. briggsae中进化成一种新的自私基因，这一事实证明了HGT对基因组进化的影响。”

IMBA团队接着证明，Mavericks对数十个独立的HGT转移事件负有责任，这些事件发生在全球各地属于不同属的线虫物种之间。

IMBA的科学家们认为，转座子和病毒之间的结合是介导HGT的关键因素。虽然他们仍然很难相信他们的成功，但他们认识到他们的发现可能会对揭开HGT之谜产生影响。

“Mavericks已经被认为是一类转座子，但我们的研究首次将它们与HGT联系起来，”IMBA小组负责人、该研究的通讯作者Alejandro Burga说。“座子和病毒的进化是紧密交织在一起的，然而，衣壳和DNA聚合酶不足以让转座子从宿主的基因组中跳跃出来，感染完全不同宿主的细胞。据我们所知，Mavericks之前没有报道过fusogen。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大熔炉。它们的结合可能会产生不可预测的影响，并导致基因组的创新。”

“我们知道HGT确实发生在动物物种之间，但我们不知道是如何发生的。这是我们第一次能够明确地确定一个罪魁祸首，”Burga实验室的博士后、共同第一作者Sonya Widen补充道。

Burga还预测Mavericks和类似的病毒样转座因子可以介导脊椎动物和其他真核生物的HGT。最后，研究小组预测了该技术在实验室和害虫控制方面的可能应用:如果Mavericks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，如非模式线虫的遗传操作，这样的资源可以让我们在未来对可能与农业或医学相关的寄生线虫物种进行遗传修饰。

Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities