科学家在一种常见的海洋微生物中发现了一种共享遗传信息的新方法

原绿球藻（Prochlorococcus）是世界上最丰富的光合生物，揭示了一种基因转移机制，这可能是其丰度和多样性的关键。

从热带到两极，从海面到几百英尺以下，世界上的海洋都充满了一种最小的生物：一种叫做原绿球藻（Prochlorococcus）的细菌，尽管它们的体积很小，但它们共同负责海洋中相当一部分的氧气生产。但是，这些微小的生物多样化和适应如此不同的环境的非凡能力仍然是一个谜。

现在，新的研究表明，即使相隔很远，这些微小的细菌也可以通过一种以前没有记录的机制相互交换遗传信息。这使得它们能够传播一整块基因，比如那些赋予代谢某种特定营养物质或抵御病毒的能力的基因，即使是它们在水中的数量相对稀少的地区也是如此。

这些发现描述了涉及水平基因转移的一类新的遗传因子，在这种遗传因子中，无论是同一物种还是不同物种，遗传信息都是通过非直系遗传的方式在生物体之间直接传递的。研究人员将进行这种转移的物质称为“tycheposons”，这是一种DNA序列，可以包括几个完整的基因以及周围的序列，并且可以自发地从周围的DNA中分离出来。然后，它们可以通过一种或另一种可能的载体系统，包括细胞可以从自己的膜上产生的被称为“囊泡”的微小气泡，运输到其他生物体内。

这项研究包括研究来自世界各地不同生态系统的数百个原绿球藻基因组，以及实验室培养的不同变体样本，甚至是在实验室进行和观察的进化过程，近日在《细胞》杂志上发表了一篇论文，作者是前麻省理工学院博士后托马斯·哈克尔（Thomas Hackl）和拉斐尔·劳伦索（Raphaël Laurenceau），访问博士后马库斯·安肯布兰德（Markus Ankenbrand），研究所教授萨利·奇泽姆（Sallie Chisholm）和麻省理工学院和其他机构的其他16人。

萨利·奇泽姆教授在1988年发现了这些无处不在的生物体，谈到这些新发现时，他说：“我们对此非常兴奋，因为这是一种新的细菌水平基因转移剂，它解释了我们在野生原绿球藻中看到的许多模式，难以置信的多样性。”蓝藻的微小变种现在被认为是世界上最丰富的光合生物，也是所有光合作用生物中最小的。

现在在荷兰格罗宁根大学工作的托马斯·哈克尔说，这项工作是通过研究来自不同地区的不同种类的原氯球菌的623个已报道的基因组序列开始的，试图弄清楚它们如何能够如此容易地失去或获得特定的功能，尽管它们明显缺乏任何已知的促进/驱动水平基因转移的系统，如质粒或被称为原噬菌体的病毒。

马斯·哈克尔、拉斐尔·劳伦索和马库斯·安肯布兰德研究的是遗传物质的“岛屿”，它们似乎是变异的热点，通常包含与已知的关键生存过程有关的基因，比如吸收必要的、通常是限制性的营养物质（如铁、氮或磷酸盐）的能力。这些岛屿包含的基因，在不同物种之间差异巨大，但它们总是出现在基因组的相同部分，有时甚至在差异很大的物种中也几乎相同 —— 这是水平转移的一个强有力的指标。

但是基因组没有显示出任何与所谓的移动遗传元件相关的通常特征，所以最初这仍然是一个谜。人们逐渐发现，这种基因转移和多样化系统不同于在其他生物（包括人类）中观察到的其他几种机制。

马斯·哈克尔将他们的发现描述为一套类似基因乐高积木的东西，DNA块以几乎可以立即赋予适应特定环境的能力的方式捆绑在一起。例如，一个受到特定营养物质可用性限制的物种，可以获得增强这种营养物质吸收所必需的基因。

这些微生物似乎使用了多种机制来运输这些 tycheposon（这个名字来源于希腊女神Tyche的名字，她是Oceanus的女儿）。一种是利用膜泡，一种从细菌细胞表面脱落的小气泡，并在其中释放出 tycheposon。另一种方法是“劫持”病毒或噬菌体感染，并允许它们携带 tycheposons 和它们自己的传染性颗粒，称为衣壳。这些都是有效的解决方案，马斯·哈克尔说，“因为在开阔的海洋中，这些细胞很少有细胞间的接触，所以如果没有载体，它们很难交换遗传信息。”

果然，当研究从公海收集的衣壳或囊泡时，这些遗传元素“实际上相当丰富”。有用的基因编码包“实际上是在这些细胞外颗粒中游动，并有可能被其他细胞所吸收。”

萨利·奇泽姆说：“在基因组学的世界里，有很多不同类型的这些元素” —— 能够从一个基因组转移到另一个基因组的DNA序列。然而，“这是一种新的类型。”哈克尔补充说：“这是一个独特的移动遗传元素家族。它与其他的有相似之处，但与任何一个都没有真正紧密的联系。”

虽然，这项研究是针对原绿球藻的，但哈克尔说，研究小组认为这种现象可能更普遍。他们已经在其他不相关的海洋细菌中发现了类似的遗传元素，但还没有对这些样本进行详细分析。他说：“在其他细菌中也发现了类似的元素，我们现在认为它们的功能可能相似。这是一种即插即用的机制，在这里，你可以拥有各种各样的部件，并进行各种不同的组合。由于原绿球藻的巨大种群规模，它可以发挥很大的作用，并尝试许多不同的组合。”

克拉克大学生物学助理教授内森·阿赫格伦（Nathan Ahlgren）虽然没有参与这项研究，但他说：“tycheposons的发现是重要和令人兴奋的，因为它提供了一种新的机制理解原绿球藻如何能够交换新的基因，从而交换生态上重要的特征。tycheposon提供了一种新的机制解释。”他说：“他们采取了一种创造性的方法来找出并描述这些‘隐藏’在原绿球藻基因组中的新的遗传元素。”

他补充说，基因组岛，即发现这些 tycheposons 的基因组部分，“在许多细菌中都有发现，而不仅仅是海洋细菌，因此未来对 tycheposons 的研究对我们理解细菌基因组的进化具有更广泛的意义。”

该团队包括麻省理工学院土木与环境工程系、德国维尔茨堡大学、夏威夷大学马诺阿分校、俄亥俄州立大学、加州牛津纳米孔技术大学、缅因州毕格罗海洋科学实验室和韦尔斯利学院的研究人员。这项工作得到了西蒙斯基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会、美国能源部和美国国家科学基金会的支持。

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