跳跃基因揭示高等生命出现的秘密

秀丽隐杆线虫

来自美国伊利诺斯州大学和加州大学河滨分校的研究人员，对数十亿年前可能出现的高等生命进行了更深入的研究，发现基因组中非同源末端连接（NHEJ）与逆转录转座子的相互作用，可能是在数十亿年前推动高级生命出现的驱动力之一，这项研究有助于确定其他行星上存在生命的可能性。研究结果近日发表在《美国国家科学院院刊》杂志。

逆转录转座子，也称为“跳跃基因”，是一种DNA序列，在基因组中自我复制粘贴，迅速繁殖。人类近一半的基因组是由逆转录转座子组成的，但细菌中几乎没有逆转录转座子。

加州大学河滨分校的Thomas Kuhlman说：“我们想从人类基因组中取出一个逆转录转座子放到细菌中，看看会发生什么。”首先，研究人员发现，在细菌中加入逆转录转座子时，细菌会迅速死亡。Kuhlman说：“当逆转录转座子四处跳跃并自我复制时，它们就会插入细菌赖以生存的基因中。这对细菌来说是致命的。”

当逆转录转座子在基因组中自我复制时，它们首先会在DNA中找到一个点并将其切开。为了生存，生物体必须修复这个缺口。有些细菌，比如大肠杆菌，只有一种修复方法，通常最后会去除这个逆转录转座子。但是高等生物（真核生物）有另一种修复DNA缺口的方法——非同源末端连接（NHEJ）。研究人员决定看看如果赋予细菌NHEJ的能力会发生什么。然而，结果只是使逆转录转座子更擅长自我复制，还对细菌造成比以前更大的伤害。

后来他们意识到NHEJ和逆转录转座子之间的相互作用可能比之前认为的更重要。真核生物的基因组中通常有许多逆转录转座子，还有其他许多功能尚不清楚的“垃圾”DNA。在基因组内，要控制逆转录转座子繁殖的速度，那NHEJ和逆转录转座子之间必然存在持续的相互作用。这赋予了生物体更大的力量来控制基因组，在这个过程中，“垃圾”DNA的存在是很重要的。

Kuhlman说：“当DNA中有越来越多的垃圾时，这些碎片就能以不同的方式组合在一起。” “垃圾”DNA的积累、逆转录转座子的存在以及它们与NHEJ的相互作用使得基因组更加复杂。这是一个可以区分高等生物（如人类）和简单生物（如细菌）的特征。

高等生物也可以通过剪接体来管理自己的基因组，剪接体是一种分子机器，可以对“垃圾”DNA进行分类，并将基因重新构建到正常状态。剪接体的某些部分与II型内含子相似，II型内含子是细菌的逆转录转座子的原始版本。真核生物中的内含子是随着剪接体的进化从II型内含子衍生而来的。伊利诺伊大学的物理学讲学教授Nigel Goldenfeld说：“这是一个进化问题。首先出现的是剪接体还是II型内含子？显然是II型内含子，那么真核细胞最初是在哪里获得II型内含子，进而建立剪接体的？”

本研究表明，II型内含子（真核生物剪接体内含子和逆转录转座子内含子的祖先）不知何故侵入了早期的真核细胞。然后，它们与NHEJ的相互作用产生了一种“选择压力”，这种压力导致了剪接体的出现，并在数十亿年前推动了生命的进化。

剪接体使真核生物能够对DNA进行更多的处理，从而帮助生命进化。Goldenfeld说：“这种非常简单的线虫的基因组和人类没有太大区别，这听起来不可思议。但人类能够利用这些基因，将它们进行多种组合，从而完成比秀丽隐杆线虫复杂得多的功能”。

NHEJ和逆转录转座子不仅有助于剪接体的形成，这项研究表明，它们还可能帮助染色体进化。NHEJ和逆转录转座子之间的相互作用可能有助于从环状染色体（细菌常有）转变为线性染色体(高等生物常有)，这是高等生命的另一个标志。

Goldenfeld说，在这项研究之前，很多研究人员都在研究逆转录转座子的作用，但是NHEJ的重要性并没有得到充分的重视。这项研究证明，在数十亿年前，NHEJ在真核生物进化为今天的高等生物方面起了一定作用。Goldenfeld说：“这当然不是唯一的条件，但如果没有发生这种情况，很难想象会有复杂的生命体。”

这项研究提出了一个更大的问题，也是由Goldenfeld领导的美国国家航空航天局(NASA)天体生物学研究所试图回答的问题：为了让生命进化，必须发生什么？更详细地回答这个问题可以帮助科学家确定其他行星上存在生命的可能性。“如果生命存在于其他星球上，人们可能会认为它是微生物。它们会不会向复杂的生命过渡？这并不是说他们一定会进化到高等生命，因为还有很多其他条件需要满足。”Goldenfeld说。

本研究的物理学视角有助于量化这些理论问题。这种量化仅仅来自于在实验室中的测量，研究人员使用测量值来建立进化模型——过去的时间机器。“我们正在进行实验室进化，研究数十亿年前的进化过程”Goldenfeld说。

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编译：花花 

审稿：阿淼 

责编：唐林芳

期刊来源：《美国国家科学院院刊》

期刊编号：0027-8424

原文链接：

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/11/181119160249.htm

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