秀麗隱杆線蟲

來自美國伊利諾斯州大學和加州大學河濱分校的研究人員對數十億年前可能出現的高等生命進行了更深入的研究，發現基因組中非同源末端連接（NHEJ）與逆轉錄轉座子的相互作用，可能是在數十億年前推動高級生命出現的驅動力之一，這項研究有助於確定其他行星上存在生命的可能性。研究結果近日發表在《美國國家科學院院刊》雜誌。

逆轉錄轉座子，也稱爲“跳躍基因”，是一種DNA序列，在基因組中自我複製粘貼，迅速繁殖。人類近一半的基因組是由逆轉錄轉座子組成的，但細菌中幾乎沒有逆轉錄轉座子。

加州大學河濱分校的Thomas Kuhlman說：“我們想從人類基因組中取出一個逆轉錄轉座子放到細菌中，看看會發生什麼。”首先，研究人員發現，在細菌中加入逆轉錄轉座子時，細菌會迅速死亡。Kuhlman說：“當逆轉錄轉座子四處跳躍並自我複製時，它們就會插入細菌賴以生存的基因中。這對細菌來說是致命的。”

當逆轉錄轉座子在基因組中自我複製時，它們首先會在DNA中找到一個點並將其切開。爲了生存，生物體必須修復這個缺口。有些細菌，比如大腸桿菌，只有一種修復方法，通常最後會去除這個逆轉錄轉座子。但是高等生物（真核生物）有另一種修復DNA缺口的方法——非同源末端連接（NHEJ）。研究人員決定看看如果賦予細菌NHEJ的能力會發生什麼。然而，結果只是使逆轉錄轉座子更擅長自我複製，還對細菌造成比以前更大的傷害。

後來他們意識到NHEJ和逆轉錄轉座子之間的相互作用可能比之前認爲的更重要。真核生物的基因組中通常有許多逆轉錄轉座子，還有其他許多功能尚不清楚的“垃圾”DNA。在基因組內，要控制逆轉錄轉座子繁殖的速度，那NHEJ和逆轉錄轉座子之間必然存在持續的相互作用。這賦予了生物體更大的力量來控制基因組，在這個過程中，“垃圾”DNA的存在是很重要的。

Kuhlman說：“當DNA中有越來越多的垃圾時，這些碎片就能以不同的方式組合在一起。” “垃圾”DNA的積累、逆轉錄轉座子的存在以及它們與NHEJ的相互作用使得基因組更加複雜。這是一個可以區分高等生物（如人類）和簡單生物（如細菌）的特徵。

高等生物也可以通過剪接體來管理自己的基因組，剪接體是一種分子機器，可以對“垃圾”DNA進行分類，並將基因重新構建到正常狀態。剪接體的某些部分與II型內含子相似，II型內含子是細菌的逆轉錄轉座子的原始版本。真核生物中的內含子是隨着剪接體的進化從II型內含子衍生而來的。伊利諾伊大學的物理學講學教授Nigel Goldenfeld說：“這是一個進化問題。首先出現的是剪接體還是II型內含子？顯然是II型內含子，那麼真核細胞最初是在哪裏獲得II型內含子，進而建立剪接體的？”

本研究表明，II型內含子（真核生物剪接體內含子和逆轉錄轉座子內含子的祖先）不知何故侵入了早期的真核細胞。然後，它們與NHEJ的相互作用產生了一種“選擇壓力”，這種壓力導致了剪接體的出現，並在數十億年前推動了生命的進化。

剪接體使真核生物能夠對DNA進行更多的處理，從而幫助生命進化。Goldenfeld說：“這種非常簡單的線蟲的基因組和人類沒有太大區別，這聽起來不可思議。但人類能夠利用這些基因，將它們進行多種組合，從而完成比秀麗隱杆線蟲複雜得多的功能”。

NHEJ和逆轉錄轉座子不僅有助於剪接體的形成，這項研究表明，它們還可能幫助染色體進化。NHEJ和逆轉錄轉座子之間的相互作用可能有助於從環狀染色體（細菌常有）轉變爲線性染色體(高等生物常有)，這是高等生命的另一個標誌。

Goldenfeld說，在這項研究之前，很多研究人員都在研究逆轉錄轉座子的作用，但是NHEJ的重要性並沒有得到充分的重視。這項研究證明，在數十億年前，NHEJ在真核生物進化爲今天的高等生物方面起了一定作用。Goldenfeld說：“這當然不是唯一的條件，但如果沒有發生這種情況，很難想象會有複雜的生命體。”

這項研究提出了一個更大的問題，也是由Goldenfeld領導的美國國家航空航天局(NASA)天體生物學研究所試圖回答的問題：爲了讓生命進化，必須發生什麼？更詳細地回答這個問題可以幫助科學家確定其他行星上存在生命的可能性。“如果生命存在於其他星球上，人們可能會認爲它是微生物。它們會不會向複雜的生命過渡？這並不是說他們一定會進化到高等生命，因爲還有很多其他條件需要滿足。”Goldenfeld說。

本研究的物理學視角有助於量化這些理論問題。這種量化僅僅來自於在實驗室中的測量，研究人員使用測量值來建立進化模型——過去的時間機器。“我們正在進行實驗室進化，研究數十億年前的進化過程”Goldenfeld說。

編譯：花花 審稿：阿淼 責編：唐林芳

期刊來源：《美國國家科學院院刊》

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

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