在動物中發現介導水平基因轉移的載體：病毒樣轉座子

　　幾十年來，科學家們已經知道基因可以從一種物種轉移到另一種物種，無論是動物還是植物。然而，這類看似不可能發生的事件是如何發生的，其機制仍然是未知的。如今，來自奧地利科學院分子生物技術研究所Alejandro Burga實驗室的研究人員在線蟲中發現了一種水平基因轉移（horizontal gene transfer, HGT）的載體。這些發現可能會導致在真核生物中發現更多的HGT載體，并可能在病原體控制中找到應用。相關研究結果發表在2023年6月30日的Science期刊上，論文標題為“Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities”。　　生活在北極和南極海洋的魚類已經進化出巧妙的策略，以防止它們的血液和組織在不適宜居住的極地水域中凍結。其中的一種適應性策略是進化出產生抗凍蛋白的基因。然而，十多年前，科學家們驚奇地發現，鯡魚和胡瓜魚---兩個完全不同的物種---在它們的基因組中編碼了完全相同的防凍蛋白，表明它們之間有基因轉移。

　　諸如此類的例子提出了一個問題：基因如何能在完全不同的物種之間“跳躍”？這種罕見的現象被稱為HGT，長期以來一直令進化生物學家感到困惑。盡管多年來在所有的生命分支中都發現了新的HGT實例，但負責這些轉移的機制在很大程度上仍然是未知的。

　　如今，Burga實驗室不僅在動物王國中當場抓住了一個HGT事件，而且他們還確定了長期尋找的載體之一。通過基因偵查工作，Burga和他的團隊展示了兩種生殖隔離的線蟲物種之間的HGT事件，這兩種物種在基因上的差異就像人類與魚類一樣。更重要的是，他們可以確定這是什么原因造成的：一個叫做Mavericks的病毒樣轉座子（virus-like transposon）家族。

　　鎖定罪魁禍首：Mavericks作為HGT的載體

　　Burga說，“Mavericks作為一類轉座子已經為人所知，但我們的研究首次將它們與HGT聯系起來。”論文共同第一作者、Burga實驗室博士后研究員Sonya Widen補充說，“我們知道HGT確實發生在不同的動物物種之間，但我們不知道如何發生。這是我們第一次能夠明確地確定一個罪魁禍首。”

　　當Mavericks在2000年代中期被發現時，它們最初被認為是大型轉座子，即以損害宿主為代價在宿主的基因組中跳躍和自我增殖的自私遺傳因子。Mavericks斯很快就在包括人類在內的大多數真核生物分支中被報道，從而確定它們起源于很早以前。

　　轉座子和病毒，大自然的大熔爐？

　　很快，表明Mavericks含有編碼病毒組分（比如衣殼和DNA聚合酶）的基因的證據開始浮現出來。Burga說，“轉座子和病毒的進化是緊密相連的。然而，衣殼和DNA聚合酶還不足以讓轉座子從其宿主的基因組中外溢出來，感染一種完全不同的宿主的細胞。”

　　如今，Burga團隊找到了缺失的環節： 線蟲基因組中的Mavericks獲得了一種所謂的fusogen蛋白，即一種介導不同細胞之間膜融合的跨膜蛋白。他們假設通過獲得fusogen，線蟲Mavericks變得能夠形成類似病毒的顆粒，能夠與另一種有機體的細胞膜融合并感染它們。

　　Widen說，“據我們所知，以前沒有在Mavericks中報道過fusogen的存在。因此，我們認為線蟲Mavericks可能從病毒中獲得了它們的序列。轉座子和病毒可以被認為是大自然的熔爐。它們的結合可以產生不可預知的影響，并導致基因組創新。”

　　證實線蟲中HGT的重要性

　　在這項新的研究中，Burga團隊、Widen以及Burga實驗室的前碩士生Israel Campo Bes發現了HGT，正如Widen所說，這一發現“完全是偶然的”。事實上，該團隊正在研究線蟲Caenorhabditis briggsae中一種自私遺傳因子的進化起源。通過一些偵查工作，他們能夠將這種自私基因的序列追溯到另一種線蟲C. plicata，后者攜帶著幾乎相同的基因拷貝。

Mavericks介導不同線蟲之間的HGT。圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0705。

　　這一發現令人驚訝，因為C. briggsae和C. plicata是兩種生殖隔離的物種。Campo Bes說，“它們的基因組就像人類和魚類的基因組一樣存在差異，然而它們都有一個幾乎相同的基因，從而清楚地顯示出進化上近期發生的HGT事件的特征。”

　　Widen解釋說，“通過仔細觀察C. plicata的基因組，我們發現在C. briggsae中產生自私基因的祖先序列被嵌入到C. plicata的Maverick里面。這個新引入的基因后來在C. briggsae中進化成了一個新的自私基因，這表明HGT對基因組進化的影響。”Burga團隊接著發現Mavericks對屬于不同屬的分布在全球不同地方的線蟲物種之間的幾十個獨立HGT轉移事件負責。