质粒、病毒还是其他？ DNA 'Borgs' 模糊边界

三年前，当微生物学家 Jillian Banfield 和她的同事开始梳理湿地环境中的泥浆样本时，他们心中有一个特定的目标：从大型杀细菌病毒中回收和分析 DNA 片段。他们做到了。但他们也发现了一些意想不到的事情。这些样本中的一些 DNA 无法立即识别为来自病毒、古细菌或其他已知的细胞来源。相反，基因组结构似乎“与以前见过的任何东西都不同，”班菲尔德说。在本月早些时候发布在 biorxiv.org 预印本服务器上的一项新研究中，班菲尔德和她在加州大学伯克利分校的同事宣布了这些奇怪实体的存在。 （这项工作仍然需要同行评审。）研究人员坦率地承认，他们发现的可能是某种新型的巨型病毒、质粒或奇异的染色体。但他们也暗示 DNA 可能完全属于其他东西：他们称之为博格人的东西。 Banfield 实验室的研究生 Basem Al-Shayeb 表示，正如《星际迷航》中的外星物种将个体“同化”到蜂巢思维中一样，这些未知元素可能会将来自宿主细胞的基因整合到自己的 DNA 中。到目前为止，其他科学家似乎不愿意接受对博格人的最非凡的解释。但他们确实同意，即使是更平凡的解释也表明，人们对自然界中遗传多样性的类别知之甚少。康奈尔大学的分子生物学家塞德里克·费肖特（Cédric Feschotte）没有参与这项新工作，他说，它强调了“开始考虑[在]连续体上的不同遗传实体”的必要性。这种想法可以为我们了解基因组的性质、微生物的功能以及在哪里寻找潜在的生物技术应用开辟一个充满可能性的世界。当班菲尔德和她的团队第一次偶然发现不熟悉的 DNA 序列时，他们“惊讶地发现这些长度超过 900,000 个碱基的元素，”Al-Shayeb 说。 “而且在那里编码的大多数基因是完全未知的。”这给研究人员留下了相对较少的关于博格人是什么或他们可能在做什么的遗传线索。他们的分析表明，这些巨大的序列存在于一组代谢甲烷的“甲烷营养”古细菌中。这些序列似乎在细胞内部，但与宿主的基因组分开。然而，这只会加深谜团，因为这些元素具有自相矛盾的特征组合，使它们难以归类。 DNA 序列不可能是正常古细菌基因组的一部分：它们的碱基对组成差别太大，而且它们是线性的，不像古细菌染色体那样呈环状。但它们也比通常的质粒和病毒等染色体外类型的 DNA 大。例如，最大的序列比已知最大的噬菌体的基因组更长。事实上，这些序列几乎是其宿主古细菌基因组大小的三分之一。这一切似乎都与班菲尔德和她的同事们预期在染色体、病毒或质粒等已知遗传元素中看到的情况不一致。序列的内容也令人费解。它们似乎携带着来自它们居住的古细菌的基因——包括参与甲烷代谢、核糖体蛋白质合成、细胞壁结构、氮利用和细胞外电子转移的基因。许多这些功能的基因通常不位于细胞染色体外的边缘元素中。在某些情况下，这些序列似乎从彼此身上拾取了 DNA 片段。研究人员甚至看到了博格氏菌有时可能会在不同古菌之间转移的迹象，这将使它们能够将基因从一个宿主带到另一个宿主。虽然班菲尔德还没有排除博格是一种非常大的病毒或质粒的可能性，但她假设它们可能代表一种全新的遗传元素——“不是因为它们具有任何独特的特征，而是因为它们的组合功能，”她说。也许，她补充说，它们曾经是独立的古细菌，只是成为一种新的内共生体，不同于线粒体或叶绿体。

其他科学家仍然不太愿意走那么远。 “在这一点上，它很可能是一种质粒，”荷兰瓦赫宁根大学的微生物学家 Thijs Ettema 说，他没有参与这项研究。 “一种新型质粒，也许是一种非常令人兴奋的质粒，但仍然是一种质粒。”以前在古细菌中没有发现线性质粒，但在它们的大小和遗传组成方面，博格看起来很像十年前在细菌中发现的一些大型线性质粒。巴黎巴斯德研究所的病毒学家 Mart Krupovic 说，考虑到这项细菌工作，“没有什么比这更出人意料了”，他同意博格氏菌可能是一种新的古细菌大质粒。但是，他补充说，他们的发现扩大了与地球上一些最神秘微生物相关的遗传元素的多样性。此外，一些质粒可以进化成为宿主不可或缺的东西，转变为更像染色体的东西。考虑到它们的大小，博格家族“可能正在成为这些古细菌的额外染色体，”克鲁波维奇说。另一方面，Feschotte 看到了博格人和巨型病毒之间的相似之处。 “我会让这份 [报告] 深入一点，”他说，但“老实说，如果它们不是病毒式传播，我会感到非常惊讶。”在那种情况下，“他们很可能会定义一类全新的病毒。”然而，无论博格人是什么，他们的真正意义在于强调“这些不同遗传实体之间的界限实际上是可变的，”费肖特说。他说，在这些元素的梯度或连续体上，班菲尔德的团队“可能发现了一些介于染色体和病毒或染色体和质粒之间的东西”。 “那会很酷。”克鲁波维奇回应了这一点，暗示博格可能正在填补寄生、共生和标准基因组特征之间的“连续性差距”。 “它们增加了我们对 [遗传] 元素的多样性的理解，就基因组结构而言，就大小而言，就可以找到它们的生物而言，”他说。博格家族的存在可能意味着该光谱上的许多其他 DNA 实体可能还没有被发现，有些可能已经存在于科学家收集的数据中，等待被发掘。如果这是真的，古细菌将是寻找它们的好地方，因为“那里是最疯狂的地方，”Feschotte 说。 Al-Shayeb 指出，与真核生物和细菌相比，古细菌的研究和认识不足。 “有些古细菌甚至不能分成两个细胞；他们分成三个。古细菌中有很多很多未解之谜，”他说。事实上，为什么花了这么长时间才发现博格人的部分原因是它们的寄主古菌，就像几乎所有已知的古菌物种一样，从未在实验室中培养过。相反，班菲尔德和她的同事依靠宏基因组学方法，煞费苦心地将数万亿个微小的 DNA 片段拼接在一起以重新组装完整的序列。

“我们从泥土和一小段 DNA 开始，我们把这个故事放在一起，”班菲尔德说。 “这些天你可以用生物信息学做些什么，真是太神奇了。”但一个限制是，研究人员对 Borgs 的了解都是从基因数据中推断出来的。他们还没有能够在 Borgs 上看到或进行实验以确认任何事情。他们甚至不能完全排除博格人是所使用的基因组重建技术的虚幻副产品的可能性。展望未来，进一步的宏基因组分析和额外尝试培养宿主古菌对于理解序列是什么以及它们的作用至关重要。 Banfield、Al-Shayeb 和他们的同事在他们的论文中推测，因为一些博格人携带甲烷氧化基因，所以这些基因元素有一天可能有助于改造细胞以从环境中去除甲烷并帮助遏制气候变化。 “但我们还没有到那里，”埃特玛说。在开始研究潜在的应用和对环境的影响之前，科学家们首先需要确定博格人的基因是否已经表达。许多其他研究领域可能会更早地取得成果。班菲尔德说，在博格家族中，“还有大量基因有待探索”。 “我相信有很多东西有待发现——我们甚至还没有想象过的功能将会被发现。” “还有什么可能不是那么明显，但仍然隐藏在显眼的地方？”费肖特问道。对他来说，关于博格家族的新工作是鼓舞人心的。 “这让我想出去，想看看自己。我也想玩。”