水平基因转移是地球上遗传信息交换的主要力量,发现病毒与另一些不是它们宿主的生物也共享着部分基因

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据国外媒体报道,一项新研究发现,病毒与另一些不是它们宿主的生物也共享着部分基因。该研究的结果发表在近期的《微生物学前沿》(Frontiers in Microbiology)期刊上,进一步证实了病毒可以和多种单细胞生物交换基因,并且是生物多样性的介质。

人体内的细菌以高于自然界常见的速度相互分享基因,其中一些基因似乎正在旅行

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  • 独立于其微生物宿主 –
    从身体的一部分到另一部分,研究人员科学报告期刊上的报道。

这项研究分析了病毒和所有生物域(domain)——从细菌和古菌等单细胞微生物到动物、植物、真菌等真核生物——的蛋白质结构。研究负责人、在美国伊利诺伊大学和巴基斯坦 COMSATS 信息技术学院任职的阿尔沙·纳西尔(Arshan Nasir)说:“我们通常会用病毒与其宿主的关系来定义它们,但这么做就限制了我们对病毒和细胞之间相互作用的理解。”

该研究结果是韩国极地研究所高级研究科学家Kyung Mo
Kim最初概念化的分子数据挖掘方法的结果。伊利诺伊大学农作物科学和Carl R.
Woese基因组生物学研究所教授Gustavo Caetano-Anolls与他的前学生Arshan
Nasir合作开发了这种方法,该学生来自巴基斯坦的伊斯兰堡COMSATS大学,他目前是新的洛斯阿拉莫斯国家实验室的杰出研究员。墨西哥。

“近期的研究已经揭示,生物体可以和其他生物体形成合作关系,并以群体生活。例如,许多细菌和古菌都生活在人的体内,组成了人体的微生物群落,”纳西尔补充道。来自伊利诺伊大学香槟分校基因组生物学研究所的农作物学教授 Gustavo Caetano-Anolles,以及韩国极地研究所的高级科学家 Kyung Mo Kim 也参与了此次研究。

这种计算上具有挑战性的方法使他们能够识别水平基因转移的实例,即在有性或无性繁殖之外的生物之间直接转移基因。

一项研究分析了病毒和所有生物域(domain)——从细菌和古菌等单细胞微生物到动物、植物、真菌等真核生物——的蛋白质结构,发现病毒与另一些不是它们宿主的生物也共享着部分基因。

水平基因转移是地球上遗传信息交换的主要力量,Caetano-Anolls说。这些交换使微生物适应和繁殖,但它们对人类健康也很重要。有些细菌不能生活在我们体外,有些细菌不能生存。

据目前所知,感染古菌和细菌的病毒并不会感染真核生物。然而,这些病毒可能会以某些无害的方式与它们不会感染的生物互动。“我们希望通过分析病毒和单细胞生物的基因组,在我们已知的病毒与其宿主的相互作用之外,寻找基因从病毒向细胞转移的可能痕迹,”纳西尔说道。

纳西尔说:更好地了解这一现象也将具有重要的公共卫生价值,因为抗生素抗性基因水平传播导致多重耐药病原体的出现已成为全球关注的问题。

研究团队采用一种生物信息学方法对病毒及其宿主生物体的基因组进行了分析。他们并没有把焦点放在会随着世代改变的基因序列上,而是分析了蛋白质的功能部分——折叠子(folds)。每个折叠子——有超过 1400 个折叠子在所有生命域中都存在——都有着独特的三维结构,具有特定的作用形式。研究人员称,由于折叠子对蛋白质功能非常重要,因此即使在编码它们的基因序列因为突变或其他过程而改变时,折叠子依然能保持稳定。“这使蛋白质折叠子成为大范围时间跨度中可以信赖的演化标记,对于突变极为快速的病毒尤为如此,”纳西尔说道。

对于新的分析,科学家利用基因组信息构建了成千上万的人类细菌家谱。通过微生物基因树的调和,团队可以弄清楚哪些基因是遗传的,哪些是水平基因转移的结果。

Caetano-Anolles 表示,研究人员在所有生命域和所有类型的病毒中发现了数百种蛋白质折叠子,意味着它们可能来自所有生命形式共同的古老祖先。不过,一些折叠子只出现在单个生命域及其所感染的病毒中,表明遗传物质的传递可能只出现在该类病毒及其宿主之间。研究人员发现,在总共大约 2000 个折叠子超家族中,只有一个是古菌及感染古菌的病毒共有的,细菌及其感染的病毒共享的有 29 个,而真核生物及感染它们的病毒之间共有的有 37 个。

目前大多数确定水平基因转移的方法都比较了DNA特征或基因组之间的统计相似性,以确定外源基因,纳西尔说。这对于相对较新的基因转移非常有效,但往往无法确定数百万或数十亿年前发生的转移事件。

足球买球网站,研究人员称,分析数据还指向了病毒如何与细胞进行遗传物质交换的机制,但这还需要进一步研究。“我们在单细胞生物中发现了许多病毒标志基因,而这些病毒并不会感染它们,”纳西尔说,“这在感染细菌的病毒和真核生物中尤其明显,可能是因为细菌与真核生物之间存在更多的相互作用方式。”

他说,更加劳动密集的方法使团队能够克服这一障碍。

“尽管人们倾向于认为病毒会感染并杀死宿主,但早在几十年前,我们就知道病毒有时候会进入细胞,然后把自己的遗传物质整合进去,而不会杀死细胞,”Caetano-Anolles 说道。对于单细胞生物来说,这些基因有时候还会传递给未来的后代。同样的,人类的 DNA 也有病毒基因的残留。

我们研究人类相关的微生物,因为它们被认为是维持人类健康和新陈代谢的关键因素,纳西尔说。我们计算了基因转移率和方向

“举例来说,一些逆转录因子(Retroelement)和转座子,就被认为是来源于古老的病毒,”纳西尔说道。逆转录因子是从 RNA 病毒复制而来的一段 DNA 序列,能插入非病毒生物的基因组中。转座子又被称为“跳跃基因”(jumping genes),能够从基因组的一处移动到另一处。

  • 谁转移了谁 –
    为美国国立卫生研究院人类微生物组项目抽取的1000多种参考细菌基因组。

“如果有一个实体,它在某一个节点上是病毒,然后被选择进入了基因组中,那它变成了该生物分子遗传物质的一部分,”Caetano-Anolles 说道。研究团队还发现了一个在任何单细胞生物基因组中都没有出现过的、由病毒特异性蛋白质折叠子组成的大子集。“这表明病毒能够产生新的基因,并且很可能把这些基因传递给了单细胞生物,”纳西尔说道。

这些细菌来自六个人体部位:肠道,皮肤,口腔,血液,泌尿生殖道和气道。Caetano-Anolls说,研究人员发现了证据支持早期发现人类相关细菌与其基因非常混杂的证据。我们体内微生物之间的水平交换比你在地球上其他地方发现的水平高约30%,他说。这意味着我们的身体提供了独特的利基,促进了微生物层面的创新。

大约40%的基因交换发生在生活在同一身体部位的细菌中。另外60%涉及不同组织中细菌之间的基因共享,例如肠道内和血液中的生物。

在所有情况下,基因转移在密切相关的生物体中最常见,无论它们是否占据相同或不同的身体组织。事实上,研究人员报告说,不同身体部位生物体之间的基因共享发生率高于生活在同一地点的远缘相关细菌的基因共享。

纳西尔说:其中一些可能是在微生物定植于人体之前发生的非常古老的基因转移事件。也可能是某些细菌在个体的生命周期中的不同时间点定居在不同的人体部位。其他细菌可能是细菌DNA从一个部位转移到另一个部位的结果,可能是通过血液。我们需要进一步的实验证据测试这种诱人的可能性。

研究人员说,其他科学家可以使用他们为这项工作开发的工具HGTree,以更准确地预测哪些基因通过繁殖过程垂直遗传,并通过水平基因转移从其他微生物中获取。研究人员表示,这将有助于提高对微生物和人类进化的认识。

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