跳跃的基因揭示了生命可能会如何发展

基因组中先前未被认可的相互作用可能是数十亿年前先进生命出现的驱动力之一。这一发现始于对逆转录转座子的好奇心，后者被称为“跳跃基因”，它是在基因组中复制和粘贴自身的DNA序列，迅速繁殖。近一半的人类基因组由反转录转座子组成，但细菌几乎没有它们。

Nigel Goldenfeld，伊利诺伊大学物理学院Swanlund Endowed和Carl R. Woese基因组生物学研究所，以及现任加州大学河滨分校伊利诺伊州前物理学教授Thomas Kuhlman，想知道为什么会这样。 “我们认为一个非常简单的尝试就是从我的基因组中取出一个(反转录转座子)并将其放入细菌中，看看会发生什么，”库尔曼说。“结果证明它非常有趣。”

他们的研究结果发表在“ 美国国家科学院院刊”上，更深入地探讨了数十亿年前可能出现的先进生活的历史 - 并且还有助于确定其他星球上生命的可能性和本质。 在解释生命的过程中，研究人员首先遇到死亡 - 细菌死亡，即。当他们将反转录转座子放入细菌中时，结果是致命的。 “当他们跳起来复制自己时，他们会跳进细菌需要存活的基因，”库尔曼说。“这对他们来说非常致命。”

当反转录转座子在基因组中复制时，它们首先在DNA中找到一个点并将其切开。为了生存，有机体必须修复这种切割。一些细菌，如大肠杆菌，只有一种方法可以进行这种修复，通常最终会去除新的反转录转座子。但是，先进的生物(真核生物)还有一个额外的“技巧”，称为非同源末端连接，或NHEJ，它们为他们提供了修复DNA切割的另一种方法。

Goldenfeld和Kuhlman决定看看如果他们给细菌做NHEJ的能力将会发生什么，认为这将有助于他们忍受对他们的DNA的损害。但它只是使反转录转座子在倍增时更好，造成的损害比以前更大。

“它完全杀死了一切，”库尔曼说。“当时，我以为我做错了什么。”

他们意识到NHEJ和反转录转座子之间的相互作用可能比他们之前想象的更重要。

真核生物通常在其基因组中具有许多反转录转座子，以及许多其他“垃圾”DNA，其没有充分理解的功能。在基因组中，NHEJ和反转录转座子之间必然存在恒定的相互作用，因为NHEJ试图控制反转录转座子的繁殖速度。这使得生物体在其基因组上具有更大的能量，并且“垃圾”DNA的存在是重要的。

“当你的DNA变得越来越垃圾时，你可以开始拍摄这些碎片并以不同的方式将它们组合在一起，比没有那里的所有垃圾更多的方式，”库尔曼说。

这些条件 - “垃圾”DNA的积累，反转录转座子的存在及其与NHEJ的相互作用使基因组更加复杂。这是一个可以区分先进生物(如人类)与简单生物(如细菌)的特征。

先进的生物也可以通过使用它们的剪接体来管理它们的基因组，剪接体是一种通过“垃圾”DNA分类并将基因重建回正常的分子机器。

剪接体的某些部分类似于第II组内含子，细菌的反转录转座子的原始形式。内含子也存在于真核生物中，并且与剪接体一起从进化上衍生自II组内含子。戈德菲尔德说，这提出了一个进化问题。

“首先是什么，剪接体或第二组内含子?显然是第二组内含子，”他说。“那么你可以问：真核细胞首先得到那些II组内含子，以便在早期建立剪接体?”

这项研究表明，第二组内含子，剪接体中内含子的祖先和真核生物中的反转录转座子，以某种方式侵入了早期的真核细胞。然后，他们与NHEJ的相互作用产生了“选择压力”，这有助于导致剪接体的出现，这有助于数十亿年前的生命发展。

通过使真核生物能够利用其DNA做更多事情，剪接体帮助生命进步。例如，尽管人类与线虫(一种蠕虫)具有大致相同数量的基因，但人类可以对这些基因做更多的事情。

“这种非常简单的蠕虫与人类之间没有太大区别，这显然是疯了，”Goldenfeld说。“正在发生的事情是，人类能够利用这些基因并将它们以多种组合进行混合和匹配，以完成比线虫更复杂的功能。”

NHEJ和反转录转座子不仅有助于剪接体的产生; 这项研究表明，他们也可能协助制作染色体 - 含有遗传物质的DNA分子 - 更先进。NHEJ和反转录转座子之间的相互作用可能有助于从圆形染色体(细菌通常具有)到线性染色体(更先进的生物体具有)的转变，这是高级生命的另一个指标。

Goldenfeld说，在这项研究之前，许多研究人员研究了反转录转座子的作用，但NHEJ的重要性尚未得到充分认识。这项研究证明，它在数十亿年前在真核生物中发挥作用，成为我们今天所知的先进生物。

“这当然不是唯一发生的事情，”Goldenfeld说。“但如果没有发生，很难看出你如何拥有复杂的生活。”

这项研究有助于提出更大的问题，即Goldenfeld指导的美国宇航局天体生物学研究所普遍生物学研究所试图回答这样的问题：为了让生命变得先进，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在其他星球上生命的可能性。

“如果生命存在于其他星球上，可能人们会认为它是微生物。它是否能够将这种过渡转变为复杂的生命?” 戈德菲尔德说。“并不是说你不可避免地要获得先进的生活，因为有很多事情必须发生。”

本研究的物理学观点有助于量化这些理论问题。这种量化来自于简单地在实验室中进行测量并使用这些测量来制作进化模型，如本研究中所做的那样。

在这样做的过程中，实验室中的基本测量成为过去的时间机器。

“我们正在进行实验室进化，”Goldenfeld说。“我们正在研究数十亿年前必然会发生的进化过程。”