在动物中发现的新DNA修饰系统——从6000万年前的细菌中捕获
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。
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。表观遗传标记通常调节基因表达——打开或关闭基因——特别是在早期发育或身体处于压力之下时。它们还可以抑制“跳跃基因”——威胁基因组完整性的转座因子。
在人类和其他真核生物中，已知两个主要的表观遗传标记。海洋生物实验室 (MBL) 的一个团队在小型淡水动物贝氏轮虫中发现了第三种新的表观遗传标记——以前只在细菌中发现。这一基本而令人惊讶的发现本周在Nature Communications 上进行了报道。
多色偏光显微镜下的贝氏轮虫（Adineta vaga）。作者：M. Shribak 和 I. Yushenova
“我们早在 2008 年就发现，贝类轮虫非常擅长捕获外来基因，”MBL 约瑟芬湾保罗中心的资深科学家、资深作者 Irina Arkhipova 说。“我们在这里发现的是，大约 6000 万年前的轮虫意外捕获了一个细菌基因，该基因使它们能够引入一种以前不存在的新表观遗传标记。” 这是第一次显示水平转移的基因可以重塑真核生物的基因调控系统。
“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。”
“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。“试着想象一下，在过去的某个地方，一段细菌 DNA 碰巧融合到了一段真核 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。”
“你不希望转座子在你的基因组中跳跃，”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——本质上是在重演超过 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。
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。它们可以一次完全干涸（干燥）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 会分解成许多片段。“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 实验室仍然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（甲基转移酶催化甲基转移到 DNA）。“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。“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。”
这些发现为研究轮虫系统中基因组功能和恢复力的新工具和研究方向打开了大门。在未来，这些知识可能会以创造性的方式应用，在这个环境快速变化的时期影响社会。
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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
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