“博格”来了：泥土里发现DNA新结构

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Amber Dance，题图来自：pixabay

博格（Borg）登陆地球——或者说，至少研究人员发现了它们在地球上的同类。研究人员在分析美国西部的泥地样本时发现了新的DNA结构，这种结构仿佛能拾得并“同化”环境中微生物的基因，就像科幻剧《星际迷航》（Star Trek）中的外星人博格会同化其他生物的知识和技术。

博格似乎和古菌这种单细胞微生物有关，上图为古菌的扫描电镜图。来源：Eye of Science/SPL

以外星人博格的名字命名，这些超长DNA链丰富了本就多样的遗传结构，这些结构统称为染色体外遗传因子（extrachromosomal element，ECE），其中包括环形质粒。虽然大多数微生物只用一到两条染色体来编码它们的主要基因图谱，但是却有大量相似而又独特的ECE。这些ECE携带了非必需但很有用的基因，比如抗生素耐药基因。

博格是一种前所未见的ECE，与众不同，令人叹为观止，加州大学伯克利分校的地质微生物学家Jill Banfield说。她和同事把他们发现的新结构发布在了bioRxiv预印本服务器上[1]，研究尚未经过同行评审。

见所未见

博格这种DNA结构和之前见过的都不一样，美国得州大学奥斯汀分校的微生物学家Brett Baker说。其他科研人员虽然也赞同这一发现令人兴奋，但是对于博格是否真的独一无二抱有怀疑，因为他们注意到博格和其他较大的ECE非常相似。

近些年，“人们对于ECE领域的各种惊喜开始司空见惯了”，中国科学院的微生物学家黄力说，“但博格的发现无疑丰富了ECE的概念，惊艳了领域内的研究者。”

博格非常大，长度从逾60万到约100万个DNA碱基对不等，这也是博格区别于其他许多ECE的一个特点。事实上，博格的长度最大能达到其宿主微生物主染色体的三分之一，Banfield说。

Banfield专门研究微生物如何影响碳循环——包括强效温室气体甲烷的产生和降解。2019年10月，她和同事前往加州湿地搜寻含有参与碳循环基因的ECE，并在那里第一次发现了博格，之后又在该地及科罗拉多州和加州等地鉴定出19种不同的博格类型。

博格似乎与古菌（archaea）有关。古菌是不同于细菌的单细胞微生物。更具体一点，Banfield团队发现的博格与能消化和分解甲烷的Methanoperedens古菌有关——博格基因看起来好像参与了这一过程，Banfield说。

研究人员在美国科罗拉多州东河发现了博格。来源：Jordan Hoff

Methanoperedens无法在实验室进行培养，许多微生物都面临这种限制。因此，Banfield团队提出的博格可能被古菌用来处理甲烷的结论只有序列数据作为证据。

“他们的观察发现很有意思。”美国系统生物学研究所的系统生物学家Nitin Baliga说。但他也提醒到，Banfield团队的做法是在许多基因组片段中筛选再拼凑起来，而这个过程可能会引入错误。因此，能在Methanoperedens培养物中找到博格，是证实博格确实存在的必要前提，他说。

利与弊

假设博格确实存在，那么对于Methanoperedens来说，维持这么大的ECE需要付出很大的代价，Banfield和同事说，因此这种DNA结构肯定具有某些益处。为了研究到底有哪些益处，研究团队分析了上百个博格基因的序列，并将它们与已知基因进行了对比。

博格似乎携带了完整代谢过程（包括消化甲烷）所需的多个基因，Banfield说。她形容这些基因是个“工具箱”，或能赋予Methanoperedens超强能力。

所以，博格究竟有哪些特征？除了超大之外，博格还有一些共有的结构特征：一是线性而非很多ECE的环形；二是链的两端有镜像重复序列；三是在假定存在的基因内部和不同基因之间还有许多其他重复序列。

单个来看，博格的这些特征可能和其他较大ECE的特征重叠了，比如某些嗜盐古菌的遗传因子，因此Baliga认为现阶段博格结构的新颖性仍要打个问号。而且，博格与土壤放线菌（Actinobacteria）中发现的巨型线性质粒也很相似，阿根廷微生物工业过程试验基地的微生物学家Julián Rafael Dib说。

Banfield反驳道，虽然拆开来看，博格的有些特征我们确实见过，但这次的不同之处在于，博格结合了大、组合、代谢基因负荷这三个特征。她推测博格曾是一种完整的微生物，后经Methanoperedens同化，同化方式可能很像真核细胞同化自生菌以获得产能线粒体的过程。

既然研究人员已经有了方向，他们可能会在筛查历史数据的过程中发现更多博格，曾在Banfield实验室工作的Baker说。Baker认为，这篇预印本论文发布后，他可能已经在他自己的基因数据库里发现了一些候选博格。

抵抗无效

Banfield和同事在分析博格基因组的时候还发现，一些特征提示博格同化了不同来源的基因，包括Methanoperedens的主染色体。正是这种“同化”基因的潜力，让她的儿子在2020年的感恩节晚餐上提出了“博格”这个名字。

目前，Banfield团队正在研究博格的功能及其DNA重复序列的作用。重复序列对于微生物很重要：不同结构的重复序列也称为CRISPR，它们是来自病毒的遗传密码片段，微生物会把这些片段整合到自己的DNA中，从而“记住”病原体，以便在未来抵御它们的攻击。

CRISPR及其相关蛋白是生物技术的一个福音，因为改造后的CRISPR已经成为了一项非常强大的基因编辑技术，提示我们博格基因组说不定也能带来有用的新工具。Banfield说：“博格或许和CRISPR一样重要、一样有趣，但我认为它会是全新的事物。”Banfield正在和加州大学的Jennifer Doudna计划下一步的合作， Doudna是这篇预印本论文的共同作者，也是CRISPR基因编辑技术的先驱。

研究人员认为博格的一个潜在应用是对抗气候变化。培育含博格的微生物也许能减少土壤古菌产生的甲烷排放——全球土壤古菌每年最多能产生10亿吨的甲烷。Banfield认为在自然湿地里开展这类实验存在风险，在农地里更为合适。因此，作为第一步，她的团队目前正在加州的稻田里寻找博格。

参考文献：

1. Al-Shayeb, B. et al. Preprint at bioRxiv https://doi.org/10.1101/2021.07.10.451761 (2021).

原文以Massive DNA ‘Borg’ structures perplex scientists标题发表在2021年7月16日的《自然》的新闻版块上

本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：Amber Dance