近日，研究人員在自家后院的泥土中發(fā)現(xiàn)了一種超長的DNA結構，推測是一種染色體外元件（ECE）。它們一個神奇的特性就是可以“同化”其他物種的DNA結構形式，科學家發(fā)現(xiàn)了它包含其他生物的關鍵基因。這種能力堪比著名科幻作品《星際迷航》中的外星種族“博格人”，因此這種DNA也因此得為“博格”。關于“博格”，仍有許多問題值得探索。

撰文 | 顧舒晨

在科幻片《星際迷航》中，有一個叫作“博格人（Borg）”的邪惡外星種族，他們具有極強的適應能力，雖然他們自己不能繁殖，卻能通過同化其他種族以維持自身種族的存續(xù)。他們希望通過同化一切可以遇到的種族，使自己的種族至臻完美。一旦遭到其它種族的抵抗，博格人就會搬出他們的口頭禪：抵抗是無效的（Resistance is futile）。然而你肯定想不到，這種天方夜談似的外星種族“博格人”，也有個地球變種，就“潛伏”在我們身邊！

被博格人同化的皮卡爾艦長丨圖源：CBS

近日，美國加州大學伯克利分校的Jill Banfield教授團隊在預印本平臺bioRxiv上發(fā)表題為“Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation（“博格”是一種巨大的染色體外元件，具有增強甲烷氧化的潛力）”的研究論文。論文介紹了Banfiled教授的研究團隊從美國西部的泥土樣本中發(fā)現(xiàn)了一種新的能夠“同化”環(huán)境中不同微生物基因的DNA結構形式，從而引發(fā)了學界的普遍關注，包括《科學》與《自然》等期刊雜志也齊齊報道了這一前所未見的發(fā)現(xiàn)。有意思的是，“博格”這個名字是Banfield教授喜愛科幻的兒子在感恩節(jié)晚餐上的提議，一語中的。

Jillian Banfield教授曾因細菌與物質在地球極端環(huán)境下的行為研究而獲得過2011年度世界杰出女科學家獎。她的主要研究方向是微生物與礦物之間的關系，從這兩個乍看下大相徑庭的研究領域中，Banfield教授發(fā)現(xiàn)了這兩個領域互動的奧秘，提出了許多獨特的見解，她甚至引證出微生物具有影響侵蝕作用等大規(guī)模地質學變動過程，以及從石塊中構建特殊物質的能力。因此這一次“博格”DNA的發(fā)現(xiàn)，也引發(fā)了熱議，大家都期待著Banfield教授能給學界帶來新的研究突破。

Banfield教授的課題組原計劃研究能降解甲烷的古細菌，以及能感染這類古細菌并影響其甲烷降解能力的病毒。古細菌大多生活在厭氧環(huán)境下，研究人員需要挖一米多深的坑才能獲得所需的樣本。這些泥土樣本將被帶回實驗室做測序分析，再通過計算機運算獲取每一條DNA序列，并從中尋找來自病毒的DNA。

這次“博格”DNA的發(fā)現(xiàn)卻純屬偶然。在一份來自研究人員自家后院的泥土樣本中，他們發(fā)現(xiàn)了一段超長的DNA，而且其中暗藏大量前所未見的新基因。不僅如此，這段DNA還有著非常特殊的結構，它們的頭和尾有著近乎鏡像的DNA序列，在基因之間也有特殊的重復序列。此外還有可供DNA啟動復制的序列，表明此類DNA有進行自我復制的潛力。綜合這些發(fā)現(xiàn)，科學家認為這種DNA并不是隨機產(chǎn)生的。而且在檢索了大量數(shù)據(jù)庫后，研究人員發(fā)現(xiàn)了23種潛在的“博格”DNA，其中19種與首個被發(fā)現(xiàn)的“博格”DNA具有一樣的特性，它們均來自科羅拉多州和加利福尼亞州的濕地泥土。

研究人員在收集土壤里的DNA樣本丨圖源：JILL BANFIELD

通過進一步研究，研究人員認為“博格”DNA是染色體外的DNA，是一種染色體外元件（extrachromosomal element，ECE）。所謂染色體外元件，就是染色體外的DNA，它們存在于許多宿主微生物中。大多數(shù)微生物有一條或兩條染色體用于遺傳編碼，但除了染色體內(nèi)的DNA外還有一些染色體外DNA的存在，例如線粒體DNA，以及已成重要科研工具的質粒，它們攜帶著某些非必需但有益的基因與宿主微生物共存。ECE大多是環(huán)狀、裸露的，也有少部分是線性的，能在細胞內(nèi)能獨立進行復制。它們有些是細胞生命活動所必需的，如線粒體、葉綠體；有些能夠賦予細胞某種特性，如細菌質粒的抗藥性基因、放毒型草履蟲的卡巴粒等。

至于“博格”DNA的作用是什么，研究人員推測可以參與代謝甲烷。序列分析顯示，“博格”DNA似乎與一種名為Methanoperedens的古細菌相關，“博格”DNA同化的基因中就有一些基因來自這種古菌的染色體。這類古細菌能夠消化并代謝甲烷，而“博格”DNA似乎也參與了這一過程。因此，科學家們認為“博格”DNA還可能幫助對抗氣候的變化——甲烷是僅次于二氧化碳的第二大人為制造溫室氣體，約占全球溫室氣體排放量的20%，而含有“博格”DNA的微生物的生長將能夠分解大量的甲烷。但是，由于目前科學家們還無法在實驗室里培養(yǎng)出這種古細菌，所以“博格”結構可能被古細菌用來處理甲烷的結論僅僅是基于基因測序數(shù)據(jù)的推測。

除了許多與Methanoperedens古細菌相關的基因外，“博格”DNA中還含有很多其他重要的基因，例如一些對于代謝至關重要的基因。另外，“博格”DNA還具有一些獨有的特性。首先，正如前文所述，它尺寸巨大，其長度在60-100萬對DNA堿基之間，已接近真核生物染色質長度的三分之一，要知道一般的ECE的也只在大小在50~1000對堿基之間。這是區(qū)別于其他片段的重要特征。其次，“博格”DNA是線性的，而不是像許多ECE那樣是環(huán)狀。最后，“博格”DNA的兩端都有鏡像重復序列，在基因內(nèi)部和基因之間也存在許多其它的重復序列。

掃描電子顯微鏡圖像顯示，博格氏菌似乎與被稱為古菌的單細胞微生物有關

丨圖源：Eye of Science/SPL

雖然“博格”DNA的發(fā)現(xiàn)使得一些研究人員異常興奮，但這項工作還沒有經(jīng)過同行評審在正式的雜志上發(fā)表。因此，研究人員認為我們需要更謹慎的對待這一發(fā)現(xiàn)，并提出了一些其他的可能性。華盛頓州西雅圖系統(tǒng)生物學研究所（Institute for Systems Biology）的生物學家Nitin Baliga認為，當研究人員像Banfield的團隊那樣篩選許多基因組的碎片并將它們拼湊在一起時，有可能會出現(xiàn)錯誤。他認為“博格”DNA只有在培養(yǎng)的Methanoperedens古細菌中被發(fā)現(xiàn)才能被確認。另外，單從“博格”DNA的結構特征上看，它可能與其它大型ECE的特征重疊，例如某些嗜鹽古菌（salt-loving archaea）中的元件。因此Baliga認為，“博格”DNA結構的新穎性在現(xiàn)階段仍值得商榷。阿根廷圖庫曼微生物工業(yè)過程試驗工廠（Pilot Plant for Microbiological Industrial Processes）的微生物學家Julián Rafael Dib認為博格結構類似于在土壤棲息的放線菌中發(fā)現(xiàn)的巨大線性質粒。還有另外一些看似瘋狂的解釋，比如“博格”DNA來自某種未知的微生物，隨后被其它古細菌所同化，正如線粒體被真核細胞所同化一般。又或者，這些“博格DNA”本身是一種巨型病毒……

目前，研究團隊正在研究“博格”DNA的功能及其DNA重復序列的作用。DNA重復序列對微生物來說非常重要，例如細菌和古菌對抗病毒的免疫防御系統(tǒng)——CRISPR-Cas系統(tǒng)。該系統(tǒng)中被稱為CRISPR陣列的重復結構來自病毒的遺傳密碼片段，微生物將這些片段整合到自己的DNA中，以此“記住”病原體，以便在未來抵御它們。CRISPR目前已經(jīng)成為了一種強大的基因編輯技術，正改變著生命科學研究領域乃至人類世界。Banfield教授的預印本共同作者Jennifer Doudna教授也因研究CRISPR基因編輯而獲得了2020年諾貝爾化學獎，她們未來的合作也將致力于研究“博格”DNA所具有的類似的工具化潛力。

雖然目前為止，我們依然不知“博格”DNA究竟是什么，它的功能是什么，但值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)“博格”DNA能夠同化不同來源的基因，“博格”DNA的存在說明了一個事實——很多遺傳元件能在不同染色體間，甚至不同物種間“跳躍”，從而讓生命更好地適應環(huán)境。這也正體現(xiàn)了生命的奇妙之處?？茖W的魅力就在于探索未知，發(fā)現(xiàn)未知，希望在不遠的未來我們也能知道“博格”DNA何時會向其它物種說出那一句經(jīng)典的臺詞“抵抗是無效的”。

參考資料

[1] Basem Al-Shayeb et al., (2021), Borgs are giant extrachromosomal elements with the potential to augment methane oxidation, bioRxiv, DOI: https://doi.org/10.1101/2021.07.10.451761

[2] Mysterious DNA sequences, known as ‘Borgs,’ recovered from California mud, Retrieved July 19, 2021, from https://www.sciencemag.org/news/2021/07/mysterious-dna-sequences-known-borgs-recovered-california-mud

[3] Massive DNA ‘Borg’ structures perplex scientists, Retrieved July 19, 2021, from https://www.nature.com/articles/d41586-021-01947-3