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世界上最顽强动物的基因组,究竟长啥样?

时间:2015-12-25 16:58来源:果壳网 作者:Ed Yong 阅读:

(芒果妖怪/编译)世界上最顽强的动物,不是体型庞大的大象,不是不惧严寒的企鹅,也不是出了名打不死的蟑螂小强。真正的耐受力冠军是一种萌萌哒的微型生物——缓步动物(Tardigrades),也叫水熊虫。

世界上最顽强动物的基因组,究竟长啥样?这些其貌不扬的小东西,可是地球上最顽强的动物。图片来源:Nicole Ottawa & Oliver Meckes / Eye of Science / Science Source Images

从巍峨高山到无尽深海,从汩汩热泉到南极冰层,处处都有水熊虫的身影——甚至连纽约这种城市它们都受得了。它们通过进入一种近乎无敌的状态来应对恶劣的环境:它们不再憨态可掬地爬动,八条腿也蜷缩起来,圆乎乎的身体变得干瘪皱缩,排出体内几乎所有水分,进入一种被称为“隐生盏”的干壳状态。它们的新陈代谢几乎停止,就跟死了差不多。而徘徊在死亡边缘的它们,恰恰变得超级难以杀死。

在隐生状态下,水熊虫不需要食物也不需要水分。它们能轻而易举地在接近绝对零度或者高达151摄氏度的环境中生存下来。它们还能忍受深海的巨大压力,耐受剂量足以杀死其他动物的辐射,即便是泡个毒药浴,对它们来说也不在话下。此外,它们是至今唯一暴露在外太空真空环境后还有命讲述这段传奇的动物——或者说,至少它们有命产下了有活力的卵。一位研究人员告诉我,它们唯一的弱点就是“不耐机械损伤”,换句话说:你可以捏死它们。

水熊虫的基因组里有什么?

几个世纪前,科学家就知道水熊虫的脱水能力了。但一项新研究显示,这种能力是在以一种奇特又迂回的方式,促进了它们超乎寻常的耐受力。这让它们尤其容易从细菌和其他生物体中吸收外源基因——这些基因散布在它们的基因组中,比例之大,在动物界闻所未闻。

为了更好地了解水熊虫的演化,美国北卡罗来纳大学教堂山分校(以下简称“北卡”)的托马斯·布思比(Thomas Boothby)在进行全世界首次水熊虫基因组测序,并发现了这个现象。在700种水熊虫中,容易在实验室环境生长繁殖的寥寥无几,他的小组着重研究了其中一种——Hypsibius dujardini

世界上最顽强动物的基因组,究竟长啥样?
水熊虫Hypsibius dujardini。图片来源:Bob Goldstein and Vicky Madden, UNC Chapel Hill

一开始,布思比还以为是他的小组没组装好水熊虫的基因组。数据中似乎满是来自细菌和其他生物体的基因,而不像是动物基因。“我们都以为是污染。”他说。也许是微生物混入了样本,导致它们的DNA掺进了水熊虫的基因组中。但很快,研究小组就发现,这些序列确实属于水熊虫基因组。

通过脱水,水熊虫反而变成了能吸水的“海绵”——不过,它吸收的是外源基因。这对于细菌来说并不罕见,它们交换基因就跟人类收发电子邮件般容易。但人们原本认为,这样的“基因水平转移(HGT)”在动物中非常罕见。很长一段时间,科学家相信这种现象根本不存在,而报告的HGT案例也饱受质疑。

最近,越来越多的动物基因水平转移的例子开始出现。蜱虫拥有来自细菌的制造抗生素的基因;蚜虫从真菌那儿偷来了显色基因;黄蜂把病毒基因化为自己的生物武器;粉蚧壳虫利用多种微生物基因来改善伙食(译者注:粉蚧利用外源基因为自己制造重要的营养物质,如氨基酸);一种能造成咖啡植株虫害的甲虫,靠的也是从细菌那儿借来的基因;还有些果蝇整合了完整的细菌基因组。还有一类被形象地称为“空间侵略者(Space Invaders)”的基因,不断地在蜥蜴、蛙类、啮齿类以及其他动物间转移。但大部分情况下,转移的只是一两个基因。外源基因至多只占基因组的1%左右。

但布思比发现,水熊虫基因组内的外源基因含量高达17.5%——占据了基因组的六分之一。这些外源基因中,超过90%来自细菌,还有些来自古菌(古菌属于微生物分类学中一个独立的分支)、真菌,甚至还有植物。“这个数字非常惊人。”他说。

类似的说辞曾被人证伪过,所以小组人员格外小心地确认了这些确实是外源序列。首先,他们用PacBio平台——一种可以直接测序单分子DNA,而不需事先将其打断的测序系统——重新测序了基因组。这证实了外源基因确实连接在水熊虫自身的基因组上。它们都来自于同一条DNA链,也就是说不可能源于其他微生物污染。这些外源基因还获取了一些典型的动物基因特征,就好像在它们细菌基因的本质之外,抹上了一层动物特色。爱荷华大学的约翰·罗思登(John Logsdon),一位研究基因进化的学者,认为结果很可靠。“这是一篇非常有趣又有说服力的论文。”他说。

那么,这些基因起初是怎么进入水熊虫基因组的呢?布思比认为,答案就隐藏在水熊虫的三个怪诞的生物学特性中。首先,它们能脱水,在这一过程中,它们的DNA分子会自然地断裂成小段;其次,它们能通过吸水重获新生,在这个过程中,它们细胞变得千疮百孔,因而能够从环境中吸收包括DNA在内的各种分子;最后,它们非常擅长修复DNA,修补脱水造成的损伤。

“所以,我们认为水熊虫在脱水时,DNA会和环境中的细菌及其他生物体的DNA一起断裂。”布思比解释道,“这些分子在它们吸水时进入细胞。而当水熊虫将自己基因组连接到一起的时候,可能不小心把细菌基因也连了进来。”

这些基因有功能吗?目前,研究小组发现水熊虫启动了一些借来的基因,在其他生物体中,这些基因与对抗环境压力相关。这是一项令人兴趣盎然的发现:这说明,它们传奇般的耐受能力可能至少有一部分得归功于细菌馈赠的基因。研究者还计划逐步灭活水熊虫的外源基因,看它们是否会失去那传奇般的无敌能力。

斯图加特大学的拉尔夫·希尔(Ralph Schill)还指出,Hypsibius dujardini不过是缓步动物家族的废柴——事实上,它们并不那么擅长抵抗干旱环境。也许那些比它们更胜一筹,在极端寒冷、极端炎热、开放真空环境中都面不改色的亲戚的基因组中隐藏着更不可思议的秘密。

不过,这些结果足够可靠吗?

然而,仅仅一周后,北卡研究组的这些观点就受到动摇了。

另一来自爱丁堡大学的研究小组也对同一供应商供应的同种水熊虫进行了基因组测序,他们的预印论文公开的研究结果却大相径庭:他们只找到了极少量的水平转移基因——少至仅仅36个,最多也就500个。他们认为,北卡小组测序了同水熊虫一起生活的细菌的DNA,尽管他们已经尽力了,但还是误将这些基因当做了水熊虫的基因。

之所以会出现这样的争论,是因为到目前为止,科学家还没有能够连续测序基因组的技术,所以他们得将DNA打碎,再测序这些DNA片段,并将这些测序片段(read)组装成连续的完整基因组。在这个过程中,动物的各个基因的测序片段的数量应该是差不多的。但爱丁堡小组在检查自己的数据时,发现有些测序片段数量尤其罕见,而另一些测序片段的数量却高达它们的10倍。“从生物学上来看,这些片段不可能来自同一基因组。”团队领头人马克·布拉克斯特(Mark Blaxter)说。事实上,这些罕见的测序片段很可能来自藏匿在水熊虫身边的细菌。研究小组仔细地清理了他们的数据,除去了这些污染序列。

最终,水熊虫基因组中还剩下约500个可能来自于微生物的基因,但他们仍然认为其中大部分都是污染,只是暂时尚未排除。只有36个基因有确凿证据证明它们是从细菌基因组中水平转移而来的——对于动物基因组,这个数目在正常范围内。

而当爱丁堡小组还在进行数据优化的时候,北卡小组的论文就发出来了——声称水熊虫基因组中有6600个水平转移基因。他们极为震惊,但还是立刻分析了由北卡小组的鲍勃·高德斯坦(Bob Goldstein)迅速上传到服务器的数据。

令人担忧的是,他们发现北卡的数据包含了很多他们没见过的测序片段——可他们测序的是同一种动物啊!而这些神出鬼没的测序片段大部分都很罕见。基于这点,爱丁堡小组认为北卡小组组装的基因组中有大概30%来自微生物污染。

“如果真是如此,那他们就糟了。”蒙塔纳大学的约翰·麦卡钦(John McCutcheon)说,“但这也很让人惊讶,因为(北卡小组的)大部分工作都非常小心,我觉得他们不会漏掉这种情况(微生物污染)。”

比如说,北卡小组重点研究了他们组装的基因组的107个位点,在这些位点上,源于细菌的基因似乎都紧邻动物基因。他们利用一种技术,从这些基因对的末端开始,复制其间的所有DNA。如果这种技术奏效——大部分也确实奏效了——那就说明两个基因确实是连在同一条DNA链上的,也就是说,源于细菌的基因不可能是污染导致的(译者注:北卡小组在组装好的基因组中,挑选了107个包含外源基因和动物基因,或是包含两个外源基因的片段作为目标序列进行PCR,获得了104个大小吻合的扩增产物)。此外,这107个基因中有54个都在爱丁堡小组列出的疑似水平转移的500个基因名单中。

在很大程度上,这个问题取决于对那6600个被认定是自细菌转移来的基因而言,这107个基因对到底有没有代表性。北卡小组认为如此;爱丁堡小组则不以为然。

开放科学的一次胜利

亚历桑那大学的大卫·巴尔特鲁斯(David Baltrus)和两个小组均无瓜葛,他说:“我的直觉告诉我,北卡的论文作者——也许并非有意——在挑选这组随机基因对时,有所偏颇了。”

“我想相信广泛的基因水平转移真的发生了,因为这会是个超棒的研究。”巴尔特鲁斯说,“但问题是,超凡的论点需要超凡的证据支持。”

北卡小组的观点遭到质疑还有其他原因。他们估计水熊虫的基因组包含2亿5千万个碱基。爱丁堡小组一开始也这么想,但除去潜在细菌污染后,他们获得了一个小得多的基因组——仅包含1亿3千5百万个碱基。这与其他科学家根据动物细胞大小估计的基因组大小要接近得多。对此,麦卡钦说,测序其他水熊虫的基因组会有所帮助。如果这些被断定是水平转移的基因也存在于其他种的水熊虫基因组内,“那将是非常有力的证据。”

与此同时,爱丁堡小组的苏杰·库玛(Sujai Kumar)表示:“整个事件就是开放科学的一次胜利。”要不是北卡小组自愿而迅速地公开了他们的数据,他的同事们也没法完成分析。即便只是在短短数年前,他们也根本没地方上传论文原稿,也就没法详细阐述相互矛盾的结果来供其他科学家阅读和讨论——而现在,第二篇论文的发表时间与第一篇论文只差九天。

“科学超凡的迅速自我更正的新能力显露无疑。”布拉克斯特说,“几十年前,要耗费数月才能理清的问题,如今瞬间就成了全球杰出科学家的关注焦点,他们能够提出问题、要求作者上传数据、推测可能的新生物学理论,并集体确保科学建立在经过验证的推理之上。”

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Boothby, Thomas C., et al. "Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade." Proceedings of the National Academy of Sciences (2015): 201510461.
  2. Koutsovoulos, Georgios, et al. "The genome of the tardigrade Hypsibius dujardini." bioRxiv (2015): 033464.
(责任编辑:泉水)
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