两个北极鱼正在破坏遗传学规则

为了在北极和南极洲周围的寒冷海洋水域生存，海洋生物进化了许多对致命感冒的防御。一种常见的适应是能够制造防止冰晶在血液，组织和细胞中生长冰晶的抗冻蛋白（AFP）。它是一种解决方案，它反复和独立地发展，而不仅仅是在鱼类中，而是在植物，真菌和细菌中。

这并不令人惊讶的是，鲱鱼和冶炼，两组鱼通常漫游大西洋和太平洋的最北端，都制作了一步。但是，这是非常令人惊讶的，甚至很奇怪，这两条鱼都是用同样的AFP基因这样做 - 特别是因为他们的祖先在超过2.5亿年前发散而且基因没有与他们相关的所有其他鱼类。

2021年3月涉及遗传趋势的论文持有非正统的解释：基因通过鲱鱼的直接水平转移成为浓型基因组的一部分。由于鲱鱼和闻到，因此，由于许多失败的尝试表明，它并非杂交。鲱鱼基因在正常的性途径外进入熔炼基因组。

在安大略省的女王大学的分子生物学家劳蒂格雷厄姆和本文的牵头作者，知道她在争论将基因直接转移到另一个鱼的直接转移方面进行了大胆的索赔。这种水平DNA运动曾经没有想到任何动物，更不用说脊椎动物。尽管如此，她和她的同事越多研究了冶炼，就可以更清晰地证明了。

冶炼也是独一无二的。最近的一系列动物 - 其他鱼类，爬行动物，鸟类和哺乳动物 - 点到类似的结论：DNA的外侧遗传，一旦被认为是单微生物，就会发生在整个生命之树的树枝上。

俄勒冈州波特兰的芦苇学院的进化基因组家莎拉·桑帕克认为，即使在科学家们，仍然有“一个非常大的哇因子”，“因为这么长时间的传统智慧就是不太可能或不可能的在真核生物中。“但冶炼发现和其他最近的例子都指向水平转移在演化中发挥着影响力的作用。

回到2000年代初，格雷厄姆在彼得戴维斯的实验室领导者的方向下研究了法官，当时她被浓蛋白基因对鲱鱼产生的一种防冻基因的不可思议的相似之处。非致DNA的基因内含物延伸，其通常比编码区更快 - 超过95％。 “我们唯一可以提出的结论是基因被水平转移，”她说。

但是当团队试图发布其调查结果时，研究人员面临着显着的推动力。 “我们在日记期间发送了杂志，我们真的不得不打它，”格雷厄姆说。他们的时间可能是不幸的。 2001年，描述了新测序的人类基因组的主要论文之一是根据与一些动物基因组的比较，从细菌中转移水平基因的非凡索赔。这些权利要求通过工作迅速驳斥，表明细菌和人类之间的物种谱系曾经有过这种基因但失去了它们。

“然后我们来了，试图发表这个，它是一个人们所说的气候，”这些索赔是铺位的，“格雷厄姆说。即使纸张最终在2008年由PLOS举行，结论是怀疑的。 “大概有一个关于我们领域的一半人说，'哦！这真的很酷！“另一半说，'不。我们不相信你，“”她说。

团队调查结果的难以理解是可以理解的，因为真核生物中水平转移的障碍看起来不可逾越。水平转移在细菌中是常见的且易于细菌的，其DNA在其细胞质内。如果DNA片段可以通过细菌的细胞壁和膜来使其粘附到基因组中的含量并不多。但真核生物将它们的基因组在第二个屏障内，细胞核和大部分时间内，它们的DNA紧密凝结成染色体，限制剪接到基因组中的机会。此外，对于水平转移以在真核物种中建立自己，它不能融入任何细胞的DNA;它需要最终在生殖器中，被转移到后代，并持续在一般人群中。这一事件链似乎很不可能对许多科学家来说都不敏感。

不要被吓倒，格雷厄姆和她的同事探讨了更深。通过在细菌中克隆大块浓斑的基因组，他们确定冶炼只有一个AFP基因。当他们用公开的基因组序列看着其他鱼的相应基因组区域时，他们发现没有AFP基因的痕迹，甚至没有缺陷的痕迹，尽管在那里侧翼的基因阵列。 “这表明这是一个进来的东西;这是冶炼的新抵达，“格雷厄姆解释道。 “然而，我们还有人说，”不，我们不买它“。

最后，在2019年，公布了鲱鱼基因组的全序列。它让团队更好地检查AFP基因周围的序列，其中一些似乎是“转换元素”（TES，或转座子），DNA的移动大块可以在基因组中复制和粘贴自己。鲱鱼基因组持有这些TES的许多副本，但它们缺席其他鱼 - 一个讲述异常。其中三个以鲱鱼AFP基因周围看到的相同顺序侧翼了彩虹闻到的AFP基因。

格雷厄姆认为这些序列是“明确的证明”，鲱鱼染色体的一小块成功地进入了冶炼。 “如果有人想要解决这个问题，”她说，“你知道，我看不到他们可能的可能性。”

Corcell大学的基因组生物学家CédricFeschotte，他不参与研究，同意。 “当你看待数据时，看起来难以理解，”他说。然而，真正有趣的是他的兴趣与他和其他人在特色和新基因的崛起的崛起中的作品有多好。

例如，在2008年在国家科学院的诉讼程序中发表的一项研究中，他和他的同事确定了一种在一个不同的脊椎动物组中发现的新类型，包括少数哺乳动物，爬行动物和两栖动物。这些特性在这些物种中具有96％比96％相同，但奇怪的是来自其他研究的基因组。因为这些元素似乎突然出现，因此Feschotte和他的同事被称为“太空入侵元素”（“旋转元素”短）并且得出结论，它们必须最近在杂物谱系之间水平移动。这些TES并不仅仅是其新宿主中的遗传噪声，例如：例如，通过共同旋转旋转元素酶获得全新的功能基因。

自2008年旋转纸以来，报告了动物之间的数千种其他水平TE转移。虽然这些推定的水平转移最初令人惊讶地遇到，但随着Graham的AFP基因是，证据现在不可否认。

对于上下文，值得注意的是，水平转移可能很难检测到：随着时间的推移，在原始和接收者谱系中累积的更多突变，掩盖了共享基因中的相似性。证明基因已经水平转移也取决于证明它不曾出现在其他相关物种中，然后通过演变丢失，当其中一些物种灭绝时，这可能是困难的。

“实际水平转移的速度可能很多，比我们意识到要高得多，”Schaack说。

虽然没有人知道在法国巴黎 - 萨莱大学的进化生物学家脊椎动物细胞之间的DNA吉尔伯特（ClémentGilbert）的频率如何发现，他的同事发现了至少975次转移，当他们筛选了在Genbank上公开使用的307个脊椎动物基因组2017年底。在那种数据中，有什么突出的是，这些转移在鱼类之间发生了压倒性。近94％的转移涉及射线炸鱼;少于3％的鸟类或哺乳动物。

“我仍然非常困惑，吉尔伯特说。

一个解释可以遵守鲱鱼的着名旺盛的产卵努力。 “如果你在飞机上飞行，你瞧不起他们产卵的海岸线，水是乳白色的，因为在交配过程中有很多精子，”格雷厄姆说。绝大多数精子未发现鸡蛋，降解，并释放他们的DNA。

她认为DNA可以粘在同一个区域中产卵的其他物种中的配子上，然后在受精期间被拖入卵细胞中。几十年来，遗传工程师使用类似的技术称为精子介导的基因转移以使转基因生物体。没有保证这将导致成功的DNA插入，​​但有时它会突然间，BAM！你去了。 “你有一个转基因生物，”格雷厄姆说。这可能是鲱鱼AFP基因如何融入冶炼，以及吉尔伯特在鱼中锯的其他水平基因转移有多少。

但它不能是唯一的解释：水平遗传转移还会在动物的动物中出现，其配子没有相同的机会拿起错误的DNA。

有一天，在阿德莱德大学研究阿德莱德大学的大卫阿德利森在澳大利亚接近他的研究生詹姆斯加里布里斯的帮助，他正在协助同事注释橄榄海蛇（Aipyyurus Laevis）的基因组。 Galbraith发现一些序列与爬行动物中发现的任何其他序列都没有涉及。所以亚德尔顿和加利器挖得深。

最后，他们发现了七种水平转移到海蛇基因组的证据。很难说捐助者已究竟是什么物种，但阿尔斯顿表示，在鱼类中发现了最佳比赛，在一个案例中发现了珊瑚。

格雷厄姆的外部施肥假设不适合这些蛇，在内部施肥和熊生存的蛇。阿尔斯顿正在投注寄生虫的参与。 “寄生虫从物种到物种，他们有有趣的生命周期，他们可以内在，”他解释道。陆地物种水平转移的研究也意味着寄生虫。

虽然Atma Ivancevic，现在是Colorado大学的博尔德大学的博士后研究员是Adelson的博士生，她追溯了脊椎动物和其他物种的进化史。对她特别感兴趣的是叫做大约3,000个碱基对的Bovbs小序列，在动物之间具有斑驳的分布。他们在奶牛和一些泥浆中，但在几乎没有哺乳动物，他们也出现在蛇和其他爬行动物中。伊凡芯在中间谱系中寻找丢失这些转座子的证据，但发现没有。

然后球队发现了更具兴趣的东西：BOVBS与牛和蛇中的BOVBS也在蜱和臭虫中。研究表明，这些尖刺寄生虫可以通过称为外泌体的分泌囊泡通过病毒进入其宿主。如果TES也可以在外来体中最终，那么IVENCEVIC认为尖刺寄生虫和它们的外来物可能共同充当用于将TES从一个宿主转移到第二个主体的载体。

因此，各种物种的差异可能导致它们拾取水平转移的频率。差异也可能反映他们的生理学或生物化学的基础：某些生物可能不那么辨别，导致防止DNA的徘徊在其基因组中。也许鱼类的数量增加与动物自己有关，而不是他们的栖息地。

实际上，“没有一个答案，”Feschotte说。 “这是一切的一切。”仍然，测试这些假设会有所帮助。该研究不仅可以揭示所涉及的潜在环境因素;它可以帮助阐明这些转移如何发生。

“我经常乘坐来自环境的一块DNA，我不知道吗？” Schaack问道。 “可能很多;也许比我意识到更多。“除非它们发生在生殖细胞中，否则这种转移可能会被忽视。因此，检测到的传输事件必须只是发生的全部数量的微小比例。

令人不安的可能性是水平DNA转移可能一直发生。例如，2020 PLOS遗传学纸张发现，TES不仅跳入蚊子基因组，而且可以通过蚊子携带的丝状蠕虫（线虫）传输到其他物种中。 “我们都被蚊子咬了多少次？”阿德尔森问道。 “我的观点是这种发生的令人惊讶的速度......我打赌我们经常被轰炸。”

无论水平转移率如何，它们对进化史的累积影响是不可否认的。采取转移的AFP基因在冶炼中的作用。 “我们认为，一旦冶炼获得了这个基因，它就会立即有选择性的优势，”格雷厄姆说。 “这种选择性优势在冰冷的水域中没有冻死。”这意味着冶炼可以在北极地向北传播并享受自由缰绳，转移该生态系统的组成。

即使传染性元素有时被驳回为“垃圾”DNA，它们也可以产生戏剧性的影响。 TES是“基因组最令人兴奋，动态和潜在的影响力，”Schaack说，特别是因为它们代表了“每种基因组中的内部诱变来源”。当它们粘贴到粘贴时，它们不仅会改变DNA，而且因为它们由重复序列组成，它们的存在增加了遗传重组的可能性。

“你想要的任何东西，我可以给你一个超凡乐能可以做到的例子，”feschotte说。 “带入新的基因，新的调节序列，重新排列染色体 - 你叫做它。”他指出，免疫系统产生天文多样性的抗体的能力似乎来自于突然进入400万年前所有下巴脊椎动物的祖先的基因组的TE。

Gilbert同意TES可以是基因组新奇的巨大来源。 “通过水平转移，这些元素在分类群之间转移了很多，而且不仅通过垂直演变，这些要素的事实意味着水平转移具有重要影响，”他说。

即使转移到体细胞是进化的死亡时期，它们也可能影响个人的健康和适应性，阿尔森票据。改变任何细胞的基因组可能具有生理后果，例如引发癌症生长。 “我们并不真正了解这些事情的影响可能是什么，”他说。

未来的研究可能会量化我们日常生活中的DNA转移率。阿德利森说，单细胞和长读测序的最新进展将在REACH中实时查看转移所需的实验。 “我第一次认为有人报告说，从蚊子叮咬将DNA转移到一个人......这将得到一些关注，”他说。

进化建模和遗传学的发展也可能最终允许我们寻找古老的基因转移，这是十年前的难以发现的。吉尔伯特认为，现在已经测量了足够的全基因，以便他可以扫描脊椎动物，以便全基因转移，就像他和他的同事检测到数百个转移一样。 “我们一直在想，”他说。 “我们只需要这样做。”