挑战进化论：长读测序发现高达20%的果蝇基因来自细菌

研究人员开发了“光开关指纹分析”。这是一种独特的技术，首次允许以低于10 nm的空间分辨率分析活细胞中的分子过程和调节单个蛋白质。其应用范围可覆盖生物学到医学各类研究。

　　

科学家芭芭拉·麦克林托克在20世纪40年代首次发现了“跳跃基因”，即那些可以在其他物种基因组内移动或转移到其他物种基因组中的基因。然而，研究人员继续发现它们在进化和健康中的重要性。

在UMSOM和IGS的微生物学和免疫学教授Julie Dunning Hotopp博士的带领下，IGS的研究人员使用了新的基因长读测序技术，展示了8000年前来自细菌沃尔巴克氏体Wolbachia的基因如何融入昆虫基因组。研究人员表示，他们的发现表明，与达尔文或孟德尔豌豆不同，基因变异并不总是小的、递增的和可预测的。

Dunning Hotopp博士解释说:“我们以前没有技术明确地证明这些基因组中的基因组显示了如此广泛的横向基因从细菌转移到飞虫，我们使用了最先进的长读基因测序技术，做出了这一重要发现。”这项新研究发表在《Current Biology》6上。

在过去，研究人员必须将DNA分解成短片段，以便对其进行测序。然后，他们需要像拼图一样将它们组合起来，来观察一个基因或DNA片段。然而，长读测序技术允许对超过10万个DNA字母进行测序，将一个100万块的拼图再变成一个简单的拼图。现在有了长读测序，研究人员验证了整合的细菌基因和宿主果蝇基因组之间的连接。为了确定细菌基因是否具有功能性，而不仅仅是一堆DNA化石，研究人员对果蝇的RNA进行了测序，专门寻找从插入的细菌DNA模板中生成的RNA副本。他们发现，细菌基因被编码成RNA，并被编辑和重新排列成新修饰的序列，这表明遗传物质是有功能的。

对这些独特序列的分析显示，在过去的8000年里，细菌DNA整合到果蝇的基因组中——扩大了染色体4的大小——以至于细菌DNA约占染色体4的20%。全细菌基因组整合支持基于DNA而不是基于RNA的整合机制。Dunning Hotopp博士和他的同事们发现，一种普通细菌沃尔巴克氏体的完整细菌基因组转移到了果蝇的基因组中。几乎快赶上一个完整的第二基因组了，其中一些细菌的基因甚至有10个拷贝之多。沃尔巴克氏体是一种细胞内细菌，可以感染多种昆虫。沃尔巴克氏体通过母系雌性卵细胞传播其基因。一些研究表明，这些感染比寄生感染更具有互惠性，使昆虫具有一些优势，例如对某些病毒的抵抗力。“一直有一些人对横向基因转移持怀疑态度，但我们的研究第一次清楚地展示了沃尔巴克氏体DNA整合到果蝇基因组中的机制，”Dunning Hotopp博士说。

果蝇的测序时间仅比人类基因组早三年，由于果蝇与人类基因有大量相似之处，果蝇长期以来一直被用于基因组研究。事实上，导致人类疾病的75%的基因也可以在果蝇中找到。

Eric S. Tvedte, Mark Gasser, Xuechu Zhao, Luke J. Tallon, Lisa Sadzewicz, Robin E. Bromley, Matthew Chung, John Mattick, Benjamin C. Sparklin, Julie C. Dunning Hotopp. Accumulation of endosymbiont genomes in an insect autosome followed by endosymbiont replacement. Current Biology, 2022; 32 (12): 2786