真菌基因组中的"星舰"转座子：人类相关环境中水平基因转移的适应性进化机制

本研究揭示了巨型转座子"星舰"(Starships)在食品生产和临床环境相关真菌中的广泛分布及其适应性进化意义。研究人员通过对曲霉属(Aspergillus)和青霉属(Penicillium)1600多个基因组的系统分析，发现人类相关环境中的真菌菌株显著积累了更多携带适应性基因的Starships转座子，这些基因与乳糖代谢、盐耐受性等食品环境适应性特征相关。该研究首次发现MYB/SANT基因可能作为Starships的另一端边界标记，并证实了多个独立获得的基因簇在真菌适应人类环境过程中的趋同进化现象，为理解真菌快速适应新环境的分子机制提供了新视角。

　　

在微生物与人类共同进化的漫长历史中，真菌通过多种机制适应了人类创造的独特环境。食品发酵和医疗环境中，曲霉属(Aspergillus)和青霉属(Penicillium)真菌面临着高盐、缺氧、抗菌物质等多重选择压力。传统观点认为，这些适应性进化主要通过点突变和基因重组实现，但近年研究发现水平基因转移(HGT)在真菌适应性进化中扮演着关键角色。特别是一种被称为"星舰"(Starships)的巨型转poson(转座子)，因其携带大量可能具有适应性功能的"货物基因"(cargo genes)而备受关注。然而，Starships在人类相关环境真菌中的普遍性及其具体进化机制仍不清楚。

法国巴黎萨克雷大学的研究团队在《Genome Biology and Evolution》发表了突破性研究成果。通过对1600多个真菌基因组的系统分析，结合创新的基因组图谱(genome-graph)技术，研究人员揭示了Starships在食品生产和临床相关真菌中的分布规律、结构特征和进化意义。研究采用了多组学整合分析策略：首先利用BUSCO基因构建系统发育树进行物种鉴定；其次通过starfish工具检测DUF3435结构域蛋白(即Captain基因)作为Starships标记；然后运用pggb和odgi构建基因组图谱来识别Starship样区域(SLRs)；最后通过功能富集分析和基因簇比对揭示适应性基因的分布规律。样本来源包括新测序的68株奶酪分离菌株和公共数据库的临床与环境分离株。

研究结果首先展示了人类相关环境中真菌的Starships积累现象。通过比较3154个单拷贝BUSCO基因构建的系统发育树和Captain基因计数，发现所有食品生产相关菌株的Starships含量显著高于环境分离株。在七种独立驯化的食品真菌中均观察到这一规律，如用于蓝纹奶酪生产的P. roqueforti非罗克福尔种群比木材分离株多出近两倍Starships。临床分离的烟曲霉(A. fumigatus)同样比环境株含有更多Starships，暗示其在病原菌进化中的重要作用。

在Starships结构特征方面，研究取得了关键发现。除已知位于一端的酪氨酸重组酶(Captain)外，首次在约23%的非冗余Starships另一端鉴定出MYB/SANT结构域基因。基因组图谱分析显示，MYB/SANT基因与Captain的距离显著大于其他Starship相关基因，且同时含有这两个基因的Starships尺寸明显更大。这一发现为理解Starships的转座机制提供了新线索，可能类似于Harbinger转座子中转座酶与MYB/SANT的协同作用。

研究还系统鉴定了多个与食品环境适应相关的基因簇。最突出的是乳糖代谢基因簇，包含β-半乳糖苷酶(LAC4)、乳糖通透酶和D-乳酸脱氢酶(DLD1)等基因，在奶酪和干腌肉相关青霉菌中多次独立获得。另一个值得关注的是二酪氨酸(dityrosine)合成簇(DIT1/DIT2)，在P. camemberti var. caseifulvum菌株ESE00019中甚至存在五个拷贝。盐耐受基因簇(含ENA2、SAT4/HAL4等)和砷抗性簇(含arsH、arsC、arsB等)的多种构型也显示出Starships在环境适应中的灵活性。

功能富集分析揭示了Starships携带基因的独特特征。与奶酪生产相关的三种青霉菌比较显示，Starships基因显著富集于氨基酸转运代谢(COG E)、脂质转运代谢(COG I)和无机离子转运(COG P)等功能类别，而核糖体生物发生(COG J)等基础代谢基因则相对匮乏。这种功能偏向性进一步支持了Starships在环境特异性适应中的作用。

这项研究通过多维度证据确立了Starships作为真菌快速适应人类相关环境的关键机制。首先，跨越不同真菌谱系的趋同进化现象表明，Starships介导的水平基因转移是环境适应的普遍策略。其次，基因簇的"货物交换"(cargo-swapping)机制解释了相似功能在不同Starships中的独立获得。最后，MYB/SANT作为潜在边界标记的发现为理解巨型转座子的转座机制提供了新视角。这些发现不仅深化了对真菌进化机制的认识，也对食品工业质量控制、农业真菌病害防控和临床抗真菌治疗具有重要指导意义。特别是考虑到基因工程菌株在食品系统中的潜在应用，研究提醒需要审慎评估Starships介导的基因水平转移风险。