Cell：在一种常见的海洋细菌中发现一种新的水平基因转移机制

从热带到极地，从海面到水下数百英尺，世界上的海洋充斥着一类最微小的生物：一种叫做原绿球菌（Prochlorococcus）的细菌，尽管它们的尺寸很小，但它们共同负责海洋中相当大的一部分氧气产生。但是，这些微小的生物多样化和适应如此深刻的不同环境的非凡能力一直是一个谜。

如今，一项新的研究揭示即使相隔很远，这些微小的细菌通过一种以前未被记录的机制相互交换遗传信息。这使它们能够传播一大片基因，比如那些赋予代谢某种特定营养物的能力或抵御病毒的能力的基因，即使在它们在水中的数量相对稀少的地区也是如此。相关研究结果发表在2023年1月5日的Cell期刊上，论文标题为“Novel integrative elements and genomic plasticity in ocean ecosystems”。

这些发现描述了一类新的参与水平基因转移---遗传信息在生物之间直接传递，不论是在同一物种还是不同物种之间---的遗传因子。这些作者将进行这种转移的遗传因子称为 “tycheposon”，它们是DNA序列，可以包括几个完整的基因以及周围的序列，并且可以自发地从周围的DNA中分离出来。它们随后可以通过一种或另一种可能的包含囊泡的载体系统运输到他生物，而细胞可以从自己的膜上产生这些囊泡。

这项研究包括研究来自世界各地不同生态系统的数百个原绿球菌基因组，以及实验室培养的不同变体样本，甚至在实验室进行和观察的进化过程。论文主要作者为美国麻省理工学院前博士后Thomas Hackl、Raphaël Laurenceau；麻省理工学院访问博士后Markus Ankenbrand和Sallie Chisholm教授。Chisholm在1988年发现这些无处不在的生物时发挥了作用。

Chisholm在谈到这些新的发现时说，“我们对此感到非常兴奋，因为这是一种新的细菌水平基因转移因子，它解释了我们在野生原绿球菌中观察到的很多模式，即令人难以置信的多样性。”原绿球菌属于蓝细菌。作为如今被认为是世界上最丰富的光合作用生物，蓝细菌的微小变种也是所有光合作用生物中最小的。

Hackl说，这项新的研究从研究不同地区不同种类的原绿球菌的623个基因组序列开始，试图弄清楚它们如何能够如此轻易地失去或获得特定的功能，尽管它们显然缺乏任何已知的促进/推动水平基因转移的系统，比如质粒或称为原噬菌体（prophage）的病毒。

Hackl、Laurenceau和Ankenbrand所研究的是基因组岛（genomic islands），这些基因组岛似乎是变异的热点，通常包含与已知的关键生存过程有关的基因，如吸收基本的、通常是限制性营养物（如铁、氮或磷酸盐）的能力。这些基因组岛所包含的基因在不同的物种之间有很大的差异，但它们总是出现在基因组的相同部分，有时甚至在差别很大的物种中也几乎相同---这是水平转移的有力指标。

图片来自Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.12.006。

但是这些基因组没有显示出与所谓的可移动遗传因子（mobile genetic elements）有关的通常特征，所以最初这仍然是一个谜。逐渐变得明显的是，这种基因转移和多样化的系统与在包括人类在内的其他生物中观察到的其他几种机制不同。

Hackl将他们的发现描述为一套类似基因乐高积木（genetic LEGO）的东西，大块的DNA以几乎可以立即赋予适应特定环境的能力的方式捆绑在一起。例如，一种受到特定营养物可用性限制的物种可以获得增强这种营养物吸收所必需的基因。

原绿球菌似乎使用多种机制来运输这些tycheposon---这个名字来自于希腊女神堤喀（Tyche）的名字，她是俄刻阿诺斯（Oceanus）的女儿。一种机制是使用膜囊泡，即从细菌细胞表面脱落下来并与位于它内部的tycheposon一起释放出去的小泡。另一种机制是通过“劫持”病毒或噬菌体感染，并允许它们携带tycheposon以及它们自己的称为衣壳（capsid）的感染性颗粒。Hackl说，这些都是有效的解决方案，“因为在开放的海洋中，这些细胞很少有细胞间的接触，所以没有载体，它们很难交换遗传信息”。

Hackl说，果然，当对从开放的海洋中收集的衣壳或膜囊泡进行研究时，“它们实际上相当富含”这些遗传因子，即tycheposon。这些有用的遗传编码包“实际上在这些细胞外颗粒中游动，并有可能被其他细胞吸收”。

Chisholm说，“在基因组学的世界里，有很多不同类型的这些遗传因子---能够从一个基因组转移到另一个基因组的DNA序列。”然而，她说，“这是一种新的类型”。Hackl补充说，“这是一个独特的可移动遗传因子家族。它与其他的可移动遗传因子有相似之处，但与它们中的任何一种都没有真正紧密的联系。”

虽然这项新的研究是针对原绿球菌的，但Hackl说，他们认为这一现象可能更加普遍化。他们已在其他不相关的海洋细菌中发现了类似的遗传因子，但是还没有对这些样本进行详细分析。他说，“类似的遗传因子在其他细菌中也有描述，我们如今认为它们可能具有类似的功能。”

他说，“这是一种即插即用的机制，即你可以拥有各种各样的部件，并进行各种不同的组合。由于原绿球藻的巨大种群规模，它可以玩耍很多部件，并尝试很多不同的组合。”

美国克拉克大学生物学助理教授Nathan Ahlgren（未参与这项新的研究）说，“发现tycheposon是重要的和令人兴奋的，因为它为原绿球菌如何能够交换新的基因，从而获得生态学上的重要特征提供了新的机制上的理解。tycheposon提供了一种新的机制解释。他们采取了一种创造性的方法，将这些‘隐藏’在原绿球菌基因组中的新遗传因子找出来并加以描述。”

他补充说，基因组岛，即发现这些tycheposon的基因组部分，“在许多细菌中都能找到，而不仅仅是海洋细菌，因此未来关于tycheposon的研究对我们理解细菌基因组的进化有更广泛的意义”。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Thomas Hackl et al. A mineralizing pool of Gli1-expressing progenitors builds the tendon enthesis and demonstrates therapeutic potential. Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2022.12.006.