DNA承载着构建身体的蓝图，但它是一份活生生的文件：可以通过表观遗传标记对设计进行调整。在人类和其他真核生物中，已知有两个主要的表观遗传标记。海洋生物实验室(MBL)的一个团队现在在称为蛭形轮虫的小型淡水无脊椎动物中发现了第三种表观遗传标记，这种标记以前只在细菌中存在。这是首次证明水平转移基因可以重塑真核生物中的基因调控系统。
“我们早在2008年就发现蛭形轮虫非常擅长捕获外源基因，”研究负责人、MBL约瑟芬湾保罗中心的高级科学家伊琳娜·阿尔希波娃(IrinaArkhipova)博士说。“我们在这里发现的是，大约6000万年前，轮虫意外捕获了一种细菌基因，使它们能够引入以前不存在的新表观遗传标记。”
现在要知道在轮虫中发现这种新的表观遗传系统可能会产生什么影响还为时过早。“细菌中的CRISPR-Cas系统是一个很好的比较，它最初是一项基础研究发现，”Arkhipova实验室的研究科学家、该团队在《自然通讯》上发表的论文的共同第一作者FernandoRodriguez博士说。。“现在CRISPR-Cas9作为其他生物体基因编辑的工具被广泛使用。这是一个新系统。它会对未来的研究有应用和影响吗?这很难说。”
Rodriguez是科学家发表的研究的共同第一作者，该研究的标题是“细菌N4-甲基胞嘧啶作为真核DNA中的表观遗传标记”，他们在其中指出，“我们结合了多种证据来确定4mC修饰可以作为真核基因组中的表观遗传标记，并表征潜在的酶机制……我们的工作展示了水平转移的基因如何成为通过数千万年进化选择维持的复杂调控系统的一部分。”
表观遗传标记是对DNA碱基的修饰，不会改变潜在的遗传密码，而是在其上“写入”可以随基因组遗传的额外信息。在真核生物中两个已知的表观遗传标记中，甲基基团被添加到DNA碱基(胞嘧啶或腺嘌呤)上。表观遗传标记通常调节基因表达——它们打开或关闭基因——特别是在早期发育期间或当您的身体处于压力下时。它们还可以抑制“跳跃基因”，这些基因是威胁基因组完整性的转座元件。
“在真核生物中，修饰主要涉及C5-甲基胞嘧啶(5mC)，偶尔涉及N6-甲基腺嘌呤(6mA)，而细菌除了5mC和6mA外，还经常使用N4-甲基胞嘧啶(4mC)，”作者写道。真核生物主要使用碱基修饰来达到调控目的，其中5mC代表真核基因组中表观遗传修饰的主要形式。“5mC通常被称为‘第五碱基’，它在基因组针对移动遗传元件的防御中发挥着重要作用，并且通常与转录沉默、封闭染色质构型的建立和抑制性组蛋白修饰相关，”该团队补充道。
科学家们表示，4mC尚未被证明可以作为真核生物中的表观遗传标记，“……大多数关于真核4mC的说法缺乏正交方法的证实，也没有鉴定出酶成分。事实上，4mC也是一种胞嘧啶修饰，但具有明显的类似细菌的甲基定位——本质上重演了超过20亿年前的进化事件，当时早期真核生物中传统的表观遗传标记出现了。
正如MBL的Arkhipova和DavidMarkWelch实验室多年来发现的那样，蛭形轮虫是一种生命力极强的动物。这些生物体可能会一次完全干涸(干涸)数周或数月，然后当有水可用时又恢复生机。在干燥阶段，蛭形轮虫DNA分解成许多片段。Arkhipova说：“当它们重新水化或以其他方式使其DNA末端易于接近时，这可能是来自摄入的细菌、真菌或微藻的外源DNA片段转移到轮虫基因组中的机会。”他们发现，大约10%的轮虫基因组来自非后生动物。
尽管如此，Arkhipova实验室仍然惊讶地发现轮虫基因组中存在一个类似于细菌甲基转移酶的基因(甲基转移酶催化甲基基团向DNA的转移)。“我们假设这个基因赋予了抑制转座子的新功能，我们用过去六年的时间证明了这一点，”阿尔希波娃说。正如作者评论的那样，“我们发现N4CMT，一种细菌起源的水平转移酶，负责在DNA上添加4mC标记……”我们的结果表明，非天然DNA甲基基团如何重塑表观遗传系统以沉默转座子，并证明水平基因转移推动真核生物监管创新的潜力，”研究人员在论文中指出。
这是非常不寻常的，之前从未有过报道，”阿尔希波娃补充道。“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如何形成一个新的调控体系，因为现有的调控体系已经非常复杂。”
“这几乎令人难以置信，”共同第一作者、阿尔希波娃实验室的研究科学家伊琳娜·尤舍诺娃博士说。“试着想象一下，在过去的某个地方，一段细菌DNA碰巧与一段真核生物DNA融合在一起。它们都加入了轮虫的基因组，形成了一种功能性酶。即使在实验室里，这也不是那么容易做到的，但它是自然发生的。然后这种复合酶创造了这个惊人的调节系统，蛭形轮虫能够开始使用它来控制所有这些跳跃转座子。这就像魔法一样。”
“你不希望转座子在你的基因组中跳跃，”罗德里格斯说。“他们会把事情搞砸，所以你要控制住他们。不同动物实现这一目标的表观遗传系统也不同。在这种情况下，从细菌到蛭形轮虫的水平基因转移在动物体内创造了一种以前从未描述过的新表观遗传系统。”
“尤其是蛭形轮虫，必须控制它们的转座子，因为它们主要进行无性繁殖，”阿尔希波娃指出。“无性谱系抑制有害转座子增殖的手段较少，因此添加额外的保护层可以防止突变崩溃。事实上，蛭形动物中的转座子含量比有性真核生物中的转座子含量低得多，而有性真核生物的基因组防御系统中没有这种额外的表观遗传层。”
这些新发现可能为开发新工具和研究方向打开大门，以研究轮虫系统的基因组功能和恢复力。正如作者总结的那样，“总的来说，我们的发现有助于解开一个令人着迷的进化难题：用非后生动物修饰装饰DNA的细菌酶如何穿透真核基因沉默系统，并通过自然选择保存数千万年?”
他们补充说，该系统“……表明水平基因转移在真核调节进化中的作用是一个激烈争论的话题，它可以重塑后生动物中复杂的调节回路，从而推动包括表观遗传控制系统在内的重大进化创新。”