关于内含子起源的长期基因组之谜在一项新研究中得到了解释

加州大学圣克鲁兹分校的科学家们在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表的一项新研究指出，内含子是几种被提出的内含子产生机制之一，内含子可以解释物种中大多数内含子的起源。

　　

生物学中最长久、最基本的谜团之一就是关于内含子的起源，对此我们知之甚少，内含子是非编码DNA的片段，在制造蛋白质的过程中被翻译之前必须从遗传密码中去除。内含子是一种古老的特征，存在于所有真核生物中，包括所有动物、植物、真菌和原生生物，但在细菌等原核生物基因组中却不存在。在不同物种的基因组中发现的内含子数量存在巨大差异，甚至在关系密切的物种之间也是如此。

现在，由加州大学圣克鲁兹分校的科学家领导并发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项新研究指出，introners是2009年发现的几种被提出的内含子产生机制之一，可以解释物种中大多数内含子的起源。研究人员认为，introners是对内含子爆发事件唯一可能的解释，在内含子爆发事件中，数千个内含子似乎同时出现在一个基因组中，他们在整个生命树的物种中找到了这方面的证据。

“(这项研究)为内含子的绝大多数起源提供了一个合理的解释，”该研究的资深作者Russell Corbett-Detig说。“还有其他的机制，但这是我所知道的唯一一个可以在基因组中同时产生成千上万个内含子的机制。如果这是真的，这意味着我们已经发现了一个核心过程，它驱动着真核生物基因组中真正特别的东西——我们有这些内含子，我们有基因组的复杂性。”

内含子很重要，因为它们允许选择性剪接，这反过来又允许一个基因编码多个转录本，从而服务于多种复杂的细胞功能。内含子还能影响基因表达，即基因被激活制造蛋白质和其他非编码RNA的速率。内含子最终会对它们所生存的物种产生中性到轻微的负面影响，因为当内含子的拼接不正确时，它们所生存的基因会introners受到伤害，甚至死亡。这种缺失的剪接实例是某些癌症的原因。

Corbett-Detig和他的同事们搜索了3325个真核生物物种的基因组，也就是所有我们可以获得高质量参考基因组的物种，希望找出introner-derived introns（introners衍生内含子，生物通注）的常见程度，以及它们在哪些物种群体中最常见。他们在175个物种的基因组中总共发现了27563个内含子衍生的内含子，这意味着在5.2%的被调查物种中可以看到introner的证据。

从动物到单细胞原生生物(它们最后的共同祖先生活在17亿年前的生物体)，所有种类的物种都发现了这一证据。内含子在物种中的多样性表明内含子是整个生命树中最基本和最广泛的内含子来源。

Corbett-Detig说:“它是多样化的，不像是生命树上的一小块有这种现象。”“你可以在相当大范围的物种中看到这一点，这表明这是一种相当普遍的机制。”

这种分析只能检测到数百万年前内含者的证据，就进化史而言，这是一个相对较短的时间跨度。内含子爆发很可能发生在一些物种中，比如人类，在本分析范围之外的时间，这意味着这项研究可能大大低估了所有真核生物中introner衍生的内含子的真实范围。

introner是基因组寄生虫

在基因组的生态系统中，introner可以被认为是一种寄生虫，其目标是生存和自我复制。当introner进入一个新的生物体时，新宿主以前从未见过这种元素，也没有办法保护自己，这就使得introner在一个新的物种中增殖。

论文的第一作者Landen Gozashti说：“进化中的一切都是冲突，这些元素(包括introner)都是DNA的自私片段，它们只想复制，而它们不想杀死宿主的唯一原因是，宿主会杀死它们。”

在基因转化为蛋白质之前，introner就被从DNA序列中剪切出来了，这使introner找到了一种对宿主基因适应性影响较小的方法，使它们能够在宿主物种的进化过程中持续存在。研究人员发现，introner衍生的内含子似乎比其他类型的内含子更容易拼接，限制它们对基因的负面影响，从而使introner和宿主都能更好地生存。

海里有更多的introner

虽然在所有种类的物种中都发现了所有的introner，但结果表明，海洋生物拥有introner的可能性是陆地生物的6.5倍。

研究人员认为，这可能是由于一种称为水平基因转移的现象，即基因从一个物种转移到另一个物种，而不是典型的通过交配和基因从父母传给孩子的垂直转移。众所周知，水平基因转移在海洋环境中更为常见，特别是在具有复杂生态系统的单细胞物种之间。

introner之所以能这样移动，是因为它们属于一类被称为转座子的基因组元素，这种元素有能力超越它们所生活的细胞环境，使它们在机械上具备了通过水平基因转移在物种之间移动的能力。当introner在海洋环境中从一个物种转移到另一个物种时，它们在整个生命之树中极大地扩展了存在感。

考虑到我们知道所有的物种都是从海洋生物进化而来的，有可能是陆地物种从它们进化史上很久以前的内含子爆发中获得了内含子。

Corbett-Detig说:“如果你的祖先是海洋生物，他们都是，那么很有可能你的很多内含子都是从当时类似的(内含子爆发)事件中继承的。”“这在我们过去的进化过程中可能非常重要。”

在真菌物种中也发现了更多的introner，它们也被认为具有更高的水平基因转移率，进一步支持了这种现象驱动脱氮体获得的观点。

在未来的研究中，Corbett-Detig计划以两个不同物种中几乎相同的introner的形式寻找水平基因转移的证据。他建立了数据挖掘管道，这样当全球基因组学研究人员将新物种的基因组贡献到数据仓库时，他的算法将搜索每个新基因组的introner，并将其与所有已知的introner进行比较，以寻找相似性。

理解复杂性是如何进化的

这项研究对基因组进化的一个主要理论提出了挑战，即是什么驱动了真核生物的基因组复杂性。该理论还假设，在进化的某个阶段，许多物种的有效种群规模都很低，这意味着一个物种中很少有生物体能够产生后代来创造下一代。这使得已知对种群有轻微负面影响的元素在基因组中积累。

根据这一理论，中性到轻微有害的氮素受体在有效群体较低的人群中更常见，但研究人员发现的情况恰恰相反。例如，他们发现共生菌是一种比人类、陆地植物和其他无脊椎动物的有效种群规模要大得多的原生生物，在被调查的物种中似乎获得了最多的introner。

但这项研究指出，复杂性并非源于基因组自身创造的适应，而是对入侵的转座因子、introner在试图增殖时引起的冲突的一种反应。当introner子和其他元素努力生存和存活时，这种冲突推动了基因组的复杂性。

introner与基因表达

introner对基因表达的影响也证明了introner的中性到负性作用。当将有introner插入的基因与没有introner插入的基因进行比较时，那些有introner插入的基因的整体表达水平较低，这意味着它们在体内执行功能时启动的频率较低。

研究人员认为，introner不一定直接导致这种低表达，但表达较少的基因对可能对它们产生负面影响的元素有更高的耐受性，因为它们对物种生存的影响较小。与此同时，高表达的基因可能编码身体的关键功能，可能不能容忍新的introner的引入，这可能会导致它们执行任务的效率降低。

Corbett-Detig正在进行的关于这个话题的研究还包括寻找基因组中introner的出现如何影响物种内个体的直接证据。他已经发现了几个正在经历内含子爆发的物种，并正在研究introner对细胞DNA和RNA的影响，以及这是如何影响物种的进化适应性的。

文章标题

Transposable elements drive intron gain in diverse eukaryotes