第三种天然真核生物表观遗传标记

在人类和其他真核生物中，已知有两种主要的表观遗传标记。海洋生物实验室的研究人员现在在蛭形轮虫这种淡水无脊椎动物身上发现了第三种表观遗传标记，这种标记以前只在细菌中发现过。该团队称，这是首次发现水平转移的基因可以重塑真核生物的基因调控系统。

　　

DNA携带着构建身体的蓝图，但它是一个活生生的文件:可以通过表观遗传标记对设计进行调整。在人类和其他真核生物中，已知有两种主要的表观遗传标记。

海洋生物实验室(MBL)的一个小组现在在蛭形轮虫（Adineta vaga）这种淡水无脊椎动物身上发现了第三种表观遗传标记，这种标记以前只在细菌中被发现过。这是第一次一个水平转移的基因被证明在真核生物中重塑基因调控系统。

“我们早在2008年就发现蛭形轮虫非常善于捕捉外来基因，”研究负责人Irina Arkhipova博士说。“我们在这里发现的是，大约6000万年前，轮虫意外捕获了一种细菌基因，使它们引入了一种以前不存在的新的表观遗传标记。”

现在要知道在轮虫身上发现这种新的表观遗传系统可能意味着什么还为时过早。

Arkhipova实验室的研究科学家、该团队在《Nature Communications》上发表的论文的共同第一作者Fernando Rodriguez博士说:“细菌中的CRISPR-Cas系统是一个很好的比较，它开始时是一个基础研究发现。现在CRISPR-Cas9被广泛用于其他生物的基因编辑工具。这是一个新系统。它对未来的研究有应用和启示吗?这很难说。”

他们在文中指出，“我们结合了多行证据，以确定4mC修饰可以作为真核基因组中的表观遗传标记，我们的工作展示了一个水平转移的基因如何成为一个复杂的调节系统的一部分，这个系统是在数千万年的进化过程中通过选择得以维持的。”

表观遗传标记是对DNA碱基的修改，它不会改变潜在的遗传密码，但会在其上“写”额外的信息，可以与基因组一起遗传。在真核生物中已知的两种表观遗传标记中，甲基被添加到DNA碱基中，要么是胞嘧啶，要么是腺嘌呤。表观遗传标记通常调节基因的表达——它们打开或关闭基因——尤其是在早期发育或身体处于压力下的时候。它们还可以抑制“跳跃基因”，这是一种威胁基因组完整性的转座因子。

作者写道:“在真核生物中，修饰主要涉及C5 -甲基胞嘧啶(5mC)，偶尔也涉及N6 -甲基腺嘌呤(6mA)，而细菌除了使用5mC和6mA外，还经常使用N4 -甲基胞嘧啶(4mC)。”真核生物大多使用碱基修饰来进行调控，其中5mC是真核生物基因组中表观遗传修饰的主要形式。该团队补充说:“5mC通常被称为‘第五碱基’，在基因组防御移动遗传元素中发挥着重要作用，并经常与转录沉默、封闭染色质配置的建立和抑制性组蛋白修饰有关。”

4mC还没有被证明在真核生物中作为一种表观遗传标记，科学家们说，“而且大多数关于真核生物4mC的说法缺乏正交方法的证实，也没有鉴定出酶的成分。”事实上，4mC也是胞嘧啶修饰，但其甲基群的位置与细菌相似——这基本上概括了20多亿年前的进化事件，当时早期真核生物中出现了传统的表观遗传标记。

蛭形轮虫是一种极具适应力的动物，正如MBL的Arkhipova和David Mark Welch实验室多年来发现的那样。这些生物可以在几周或几个月的时间里完全干燥，然后在有水的时候恢复生机。在它们的干燥阶段，蛭形轮虫的DNA分解成许多碎片。Arkhipova说:“当它们重新补水或以其他方式使它们的DNA末端易于接近时，这可能是一个机会，让外来的DNA片段从摄入的细菌、真菌或微藻转移到轮虫的基因组中。”他们发现，轮虫大约10%的基因组来自非后生动物。

尽管如此，Arkhipova实验室惊讶地发现轮虫基因组中有一种基因类似于细菌甲基转移酶(甲基转移酶催化甲基基团向DNA的转移)。Arkhipova说:“我们假设这个基因赋予了这种抑制转座子的新功能，我们花了过去6年的时间来证明，确实如此。”正如作者评论的那样，“我们发现了N4CMT，一种细菌来源的水平转移酶，研究人员在论文中表示:“我们的结果表明，非原生DNA甲基群可以重塑表观遗传系统，使转座子沉默，并展示了水平基因转移在真核生物中驱动调控创新的潜力。”

这是非常不寻常的，以前没有报道过，”Arkhipova补充道。“水平转移的基因被认为是操作基因，而不是调控基因。很难想象一个单一的、水平转移的基因如何形成一个新的调控系统，因为现有的调控系统已经非常复杂。”

“这几乎令人难以置信，”Arkhipova实验室的研究科学家、共同第一作者Irina Yushenova博士说。“试着想象一下，在过去的某个时候，一块细菌DNA碰巧与一块真核生物DNA融合在一起。它们都加入了轮虫的基因组，并形成了一种功能性酶。这并不容易做到，即使是在实验室里，这是自然发生的。然后这个复合酶创造了这个神奇的调节系统，蛭形轮虫开始使用它来控制所有这些跳跃的转座子。这就像魔法。”

“你不希望转座子在你的基因组中四处跳跃，”Rodriguez说。“他们会把事情搞砸，所以你要控制他们。而实现这一目标的表观遗传系统在不同的动物身上是不同的。在这种情况下，从细菌到蛭形轮虫的水平基因转移创造了动物新的表观遗传系统，这是以前没有描述过的。”

“特别是蛭形轮虫，必须控制它们的转座子，因为它们主要是无性繁殖的，”Arkhipova指出。“无性血统在抑制有害转座子增殖方面手段较少，所以增加一层额外的保护可以防止突变的崩溃。事实上，蛭形体中的转座子含量比有性真核生物中的要低得多，有性真核生物的基因组防御系统中没有这种额外的表观遗传层。”

这些新发现可能为研究轮虫系统基因组功能和适应性的新工具和研究方向打开大门。正如作者总结的那样，“总的来说，我们的发现有助于解开一个迷人的进化之谜:带有非后生修饰的DNA细菌酶是如何穿透真核生物的基因沉默系统，并在数千万年的自然选择中被保存下来的?”

他们补充说:“这一系统表明，水平基因转移可以重塑后生动物复杂的调控回路，从而推动包括表观遗传控制系统在内的重大进化创新。水平基因转移在真核生物调控进化中的作用一直是人们激烈争论的话题。”

“Bacterial N4-methylcytosine as an epigenetic mark in eukaryotic DNA”