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在基因组研究领域，转座元件（TEs）与宿主基因组的关系一直备受关注。为探究巨型基因组中 TEs 和宿主抑制如何导致大量 DNA 的添加，研究人员分析了 6 种蝾螈基因组。结果发现二者关系无明显规律，这为理解基因组进化提供了新方向。
在生命科学的奇妙世界里，基因组的奥秘一直吸引着无数科研人员不断探索。转座元件（TEs）作为基因组中的 “神秘旅客”，它们寄生在宿主基因组中，通过各种机制复制和传播，对基因组的进化和稳定性有着深远影响。在动物界，基因组大小差异巨大，然而更复杂的生物并不一定拥有更大的基因组，这就是著名的 C 值悖论，而 TEs 的积累在很大程度上解释了这一现象。在植物中，通过积累大量 TEs 实现巨大基因组规模的情况较为常见；但在动物中，超过 10Gb 的基因组却极为罕见，仅在少数类群中存在，比如肺鱼和蝾螈。这两类动物独立进化出巨大基因组，背后的进化力量平衡却有所不同。肺鱼基因组显示出遗传漂变增强的迹象，而蝾螈则表现出低水平的 DNA 缺失。此外，在巨型基因组中，新的 TE 插入对宿主适应性的潜在影响比在紧凑基因组中小得多，而且由于巨型基因组中大部分序列是非必需的，新 TE 插入改变关键 DNA 序列的可能性也更低。那么，在巨型基因组中，TEs 和宿主抑制究竟是如何引发大量 DNA 的进一步添加的呢？这一问题成为了科研人员亟待解决的谜题。
为了揭开这个谜题，中国科学院成都生物研究所等机构的研究人员展开了深入研究。他们聚焦于 6 种蝾螈，这些蝾螈的单倍体基因组大小差异可达 28.6Gb，相当于 9 个人类基因组的大小。研究人员通过一系列实验，最终发现基因组大小和扩张与 TE 删除率、增殖历史、表达以及宿主抑制并无关联，而且 TE 群落多样性随基因组大小增加，这与理论预测相悖。这些发现为理解基因组进化提供了全新的视角，对深入研究基因组的奥秘具有重要意义。该研究成果发表在《Communications Biology》杂志上。
研究人员运用了多种关键技术方法。在基因组研究方面，他们提取蝾螈肌肉组织的 DNA，构建基因组鸟枪文库并进行测序和组装。同时，使用 PiRATE 管道挖掘和分类重复元件，以此来分析 TE 群落、增殖和删除历史。在基因表达分析上，提取蝾螈性腺的 RNA，构建转录组文库测序，对 TE 进行注释并量化其表达水平。此外，通过构建小 RNA 文库，分析与 TE 沉默相关的 piRNA，探究其在不同性别和物种中的特征及与 TE 表达的关系。
下面来详细看看研究结果：
- 蝾螈基因组包含大量重叠的活跃 TE 超家族：研究人员对 5 种蝾螈进行数据生成和分析，并纳入已发表的一种蝾螈数据。通过低覆盖度基因组测序和多种软件挖掘重复序列，发现不同大小基因组的蝾螈都含有大量活跃 TE 超家族，且各物种间有重叠。其中，除 R. sibiricus 外，LTR/Gypsy 是多数物种中最丰富的 TE 超家族。不同物种的 TE 活性存在差异，R. sibiricus 的 TE 活性最高，A. davidianus 的最低，但在 Salamandridae 科内，基因组大小与 TE 活性无明显关联。
- 蝾螈中 TE 多样性随基因组大小增加：研究人员选取多个脊椎动物类群，分析基因组大小与 TE 多样性的关系。结果发现，外温动物的 TE 群落比内温动物更多样。在多数外温动物类群中，如青蛙和非鸟类爬行动物，TE 多样性在较小基因组中更高，但蝾螈却呈现相反的模式，其 TE 多样性随基因组大小增加而增加，这与理论预测不同。
- 不同大小蝾螈基因组中 LTR/Gypsy 序列的大缺失情况相似：为研究基因组大小与删除率的关系，研究人员分析 LTR 反转录转座子的删除情况。通过对 LTR/Gypsy 元件的末端和内部序列分析，发现不同大小基因组的蝾螈中，LTR/Gypsy 元件的删除率没有显著差异，即没有证据表明较大基因组的蝾螈 LTR/Gypsy 序列删除率更低。
- 性腺中 TE 表达与基因组丰度相关，且雄性高于雌性：研究人员对 TE 超家族的基因组丰度和表达水平进行线性回归分析，发现除 R. sibiricus 外，多数物种中 TE 表达与基因组丰度显著正相关。而且，在所有物种中，多数 TE 超家族在雄性性腺中的表达高于雌性。此外，不同物种间，雄性和雌性的 TE 表达模式存在差异。
- 映射到 TE 的 piRNA 特征在不同性别和物种间有异同：研究人员比较不同物种睾丸和卵巢中的 piRNA 池，发现其长度分布和 5’ - U 偏好等总体特征相似，但个体序列差异较大。不同物种中，映射到 TE 的独特 piRNA 数量和百分比在性别间有重叠，且与基因组大小无明显趋势。同时，TE - 映射 piRNA 的表达与 TE 表达在所有物种的性腺中都显著正相关。
- piRNA 的乒乓扩增在卵巢中更明显：研究人员检测 piRNA 的乒乓扩增特征，发现所有有数据的物种中都存在该特征，且在雌性性腺中更明显，但与基因组大小无明显关联。
- TE 沉默通路基因的表达在不同性别和物种间存在差异：研究人员分析参与 TE 沉默的 piRNA 和 KRAB - ZFP 通路相关基因的表达，发现 piRNA 通路基因表达在不同性别和物种间有显著差异。部分物种中，该通路基因在睾丸中的表达高于卵巢，而在 A. davidianus 和 P. hongkongensis 中则相反。此外，其他相关基因如 TRIM28、KRAB 结构域等的表达也存在性别和物种间的差异。
在讨论部分，研究人员对实验结果进行了深入探讨。TE 表达在雄性中更高，可能反映出 KRAB - ZFP 介导的 TE 沉默在性别上的差异，而非 piRNA 介导的沉默差异。同时，蝾螈的删除率、TE 多样性和 GC 含量表明，其 TE 沉默通路对 TE 群落的拮抗作用并不强烈。在解释基因组大小进化方面，虽然删除率、遗传漂变、生活史变异和世代时间等因素都可能有影响，但研究人员认为 TE 增殖在其中起重要作用。综合来看，研究人员推测在巨型基因组中，TE / 宿主拮抗共进化的长期结果很大程度上是随机的 TE 积累，这是由于基因组和细胞内的噪声过程导致的。
这项研究意义重大，它打破了以往对基因组进化中 TEs 和宿主关系的认知。以往认为在基因组进化过程中，TEs 和宿主之间存在较为明确的相互作用模式，但该研究表明在巨型基因组中并非如此。这一发现为后续研究基因组进化提供了新的思路，促使科研人员重新审视基因组大小进化的机制，也为其他相关领域的研究提供了重要参考，推动了生命科学领域对基因组奥秘的进一步探索。
