'Selfish' genes called introners proven to be a major source of genetic complexity

为了将DNA翻译成生命的基本组成部分——蛋白质，许多这类自私的DNA元件必须从遗传密码中移除。这一过程使身体能够产生支持复杂生命所需的各种蛋白质，但也可能导致健康问题，例如某些癌症。

加州大学圣克鲁兹分校的研究人员正在研究这些遗传元件隐藏自身并进行自我复制的方式，从而使其能够在物种的DNA内传播，甚至通过称为“水平基因转移”的过程从一个物种跳跃到另一个无关物种。

发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项新研究证明，一种名为“内含子生成元件”（introners）的遗传元件是许多这类自私基因在物种内部和物种之间传播的原因。该研究提供了八个内含子生成元件在无关物种间转移的实例证据，这是该现象的首批确证案例。

这些结果有助于我们理解基因组如何进化得如此复杂，以及我们如何在人类健康研究中利用这种复杂性。

“（内含子生成元件）是基因组结构和复杂性产生的一种方式，但并非必然因为有自然选择偏爱这种复杂性，”该研究的资深作者、巴斯金工程学院生物分子工程学教授拉斯·科比特-迪蒂格（Russ Corbett-Detig）说道。“少数可能最终使宿主受益，但大多数只是找到了在基因组中隐藏的绝佳方式的欺骗者。”

研究内含子生成元件

科比特-迪蒂格和他曾指导的本科生兰登·戈扎什蒂（Landen Gozashti）——后者在哈佛大学取得杰出博士学位后，现为加州大学伯克利分校的博士后研究员——多年来一直研究内含子，即那些在蛋白质生成前必须被移除的非编码DNA片段。

他们试图弄清楚，为什么这些非蛋白质编码的DNA片段在所有动物、植物、真菌和原生生物中以不同数量存在，以及它们如何成功地实现自我复制和生存。所有这些内含子最初是如何出现在DNA中的，长期以来一直是个谜团，因为大多数内含子似乎并不具有进化功能。

科学家对此感兴趣，一方面是将其作为进一步理解基因组进化的途径，另一方面也因为内含子允许一个称为“选择性剪接”的关键过程发生。内含子必须从DNA序列中剪接出来才能生成蛋白质，但此过程可能存在变异和错误，这意味着同一基因可以产生不同版本的蛋白质。最终，这使得生物体能够更加复杂，但如果剪接破坏了某个基因，也会引入健康问题的风险。包括加州大学圣克鲁兹基因组学研究所的研究人员在内的许多科学家，正在研究如何通过研究选择性剪接来更好地理解遗传疾病。本研究增强了这类健康相关工作的基础科学。

在本研究中，研究人员已证明内含子生成元件是新内含子出现在物种DNA中的主要途径之一。内含子生成元件是一种转座因子（一种可以在基因组不同部分间移动的“跳跃基因”），它们找到了一种在基因组中成功复制内含子的方法。该团队过去的研究曾暗示这一点，但如今他们通过搜索广泛物种DNA的先进方法，最终确证了他们的假设。

研究人员在数千个物种的DNA中搜寻内含子生成元件，这只有在最近才成为可能，这得益于持续协调的努力对广泛的生物多样性进行测序并将数据公开，例如地球生物基因组计划（Earth BioGenome Project）和桑格生命之树计划（Sanger Tree of Life）。

在他们分析的8,716个基因组中，发现了1,093个内含子生成元件家族的证据，这表明存在多种能够通过内含子生成元件在不同物种基因组中传播内含子的类型。

“由于转座子极其多样化且基本存在于每一个真核生物中，这意味着这确实可以成为不同谱系中新内含子产生的一种非常普遍的方式，”科比特-迪蒂格说。

这些内含子生成元件最常见于藻类、真菌和多种单细胞真核生物物种中，并在一个海胆和一个被囊动物（一种管状海洋无脊椎动物）中发现了实例。

物种间转移

在他们分析的众多基因组中，研究人员首次发现了内含子生成元件水平基因转移的直接证据。他们发现了八个内含子生成元件从一个物种的基因组中跳出并定居到另一个无关物种基因组中的例子，这些情况无法用交配解释。

在一个案例中，研究人员发现了两个物种间的水平基因转移，这两个物种的亲缘关系极其疏远，它们最后的共同祖先生活在16亿年前。在观察这两个物种——一种海绵和一种称为甲藻的海洋原生生物——的基因组时，他们发现了证据表明，大约在4000万年前，一个内含子生成元件从其中一个物种跳跃到了另一个物种。

研究人员推测，内含子生成元件可能是通过搭乘巨型病毒来实现物种间转移的。

“病毒本身也是一个自私元件，所以这就像一个自私元件搭载在另一个自私元件上穿梭，”科比特-迪蒂格说。

尽管八个水平基因转移的例子看起来可能不多，但研究人员相信，如果继续在现存的874万种真核生物中寻找，会发现更多案例。

“考虑到我们采样的真核生物多样性如此之少，我向你保证，如果我们对其余物种进行采样，我们会发现更多，”科比特-迪蒂格说。