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窃取人类DNA的淋病菌

(文/Ed Yong)每一年全球数百万人感染淋病奈瑟菌,最新的研究发现淋病奈瑟菌不仅可以感染人还会偷走人类的DNA,并组合进它们自己的基因组中,人类基因正渐渐渗入淋病奈瑟菌的基因组。

淋病奈瑟菌窃取的是人类基因组中的LINE-1序列(简称L1),L1是人类基因组中的一个小片段,并有多个拷贝,且常常会在基因组上更换位置。目前还没有发现L1的多拷贝数具有什么明显的功能,不过L1很擅长复制。在人类基因组上大约有百万个L1片段,约占人类基因组的1/5。现在有一个拷贝从人类基因组跳跃到了淋病奈瑟菌基因组上。

美国西北大学的Mark Anderson和Steven Seifer在14株淋病奈瑟菌基因组上发现存在非自身的DNA。为了研究这些新的DNA片段,Anderson和Seifer将这些序列进行比对,结果发现这些DNA片段几乎与人类的L1完全匹配。Anderson和Seifer在1/9的菌株中发现L1序列,而在淋病奈瑟菌的相近菌属中没有发现存在L1序列。

淋病奈瑟菌侵入宿主细胞很常见,但是不能进入细胞核(DNA储存中心)。那么,淋病奈瑟菌是如何偷偷侵入细胞核并窃取人类L1序列的呢?Anderson 和Seifert认为,这一关键性的行为肯定发生在死亡的细胞中,只有死亡的细胞会在细菌周围释放DNA。

尽管淋病奈瑟菌可能接触到人类DNA,但是如何摄取仍是一个难题。L1基因进入淋病奈瑟菌后着陆到基因组哪个位置也是一个问题。Anderson 和 Seifert推测,淋病奈瑟菌能将L1序列黏贴到断裂的基因组片段上。

细菌与细菌间的基因交换十分常见,而人类DNA向细菌基因组转移十分罕见。事实上,这是首次发现人类DNA向细菌基因组上转移。细菌间交换基因就像人类交谈那么简单,同时,这种交换是一种互助互利的行为,交换可以使它们获得更多的本领。细菌间的基因交换十分普遍,比如说,大肠杆菌就有1/6的基因来自其他细菌。在某些情况下,细菌也能与宿主交换基因,如一种沃尔巴克体属细菌尝试将整个基因组插入它的宿主果蝇基因组中。这是细菌将基因组与宿主基因组融合的一个过程,但是,反方向的转移,宿主向细菌的却是十分罕见。

目前还不知道淋病奈瑟菌摄取人类DNA有什么生物学意义,但是可以肯定的是,这是第一次发现细菌摄取人类DNA。所有菌株中的L1片段相似性很高,并且位于同一个位置。进化压力可能会让L1片段停止改变,这意味着这个片段有它独特的作用。但是目前这个作用还不清楚,Anderson和Seifert暂时没有发现有L1菌株和没有L1菌株的差别。L1也许是近期才进入淋病奈瑟菌的,因为它们还没有在细菌间开始交换,这就能解释为何只有1/9的淋病奈瑟菌有L1序列。

也许还有一个可能:人类DNA可能源自1个人。当遗传学家处理DNA样本的时候,他们的一点皮肤角质或是头发掉落到样本中,污染了样本,于是非人类的DNA样本中出现了人类DNA。来自康涅狄格州大学的Mark Longo就做过不同的研究,他发现450个不同物种的基因组中存在人类DNA,包括细菌,小麦和斑马鱼。

Longo是在无意间发现人类DNA散落于其他基因组的。他原本是寻找斑马鱼基因组上古老病毒的序列,这些古老的病毒将基因组融合到宿主基因组上。古老病毒的基因组是遗传学上的化石,它们散落在不同动物的基因组中,讲述着不同物种的历史。但是,Longo发现一些新情况,一种名为Alu元件的短小DNA片段存在于不同的动物基因组上,而Alu元件是人类基因组上独一无二的小片段。这些序列不仅仅是与人类Alu元件序列相似,而是完全的匹配,斑马鱼基因组上不可能有Alu元件序列,因此,可以判断斑马鱼基因组上的Alu元件不是斑马鱼本来就有的,而是人类DNA污染的。

Alu像L1一样,能在人类基因组上跳跃。但是Longo排除了Alu能像L1一样从人类基因组上移动到其他物种基因组上的可能性。他发现,Alu在人类基因组上的跳跃存在一定的机制,人为地想调整Alu的位置完全不可能。Alu更不可能与其他基因组融合在一起。目前发现,至少1/5的人类基因组中含有Alu。

这可能出现一个问题,在研究动物进化史的时候如果出现污染会怎样。不仅如此,人类基因组也可能被其他的DNA所污染。听起来有些古怪,就目前来看,获得人类基因组变得越来越廉价,但是,如果获得的是被污染的结果,那么以此为基础的研究就变得毫无意义了。尤其是会影响那些依靠基因组来预测客户可能患的遗传疾病。

与此同时,研究微生物基因组的Jonathan Eisen说,研究物种的科学家常常被污染问题困扰。换句话说,基因交换可能并不是真的,而是污染造成的假象。更为糟糕的是,污染常常难以避免。

不过,也有办法是可以避免污染的。Longo发现流感基因组因为在处理的时候需要特别小心反而没有出现污染情况。他曾检测了172株流感病毒基因组结果没有一个出现Alu污染现象。

Longo研究组的领导者Rachel O’Neill说,科学家们如果提高警惕,通过在不同实验室实验和谨慎核对,还是有可能避免污染发生的。这些情形提醒广大的科学家,要提高科研质量控制水平,避免出现乌龙。

淋病奈瑟菌基因组中的人类基因是否也是污染所致呢?不可能。Anderson和Seifert重新将原始菌株进行了测序分析,并且再次拼接序列获得与第一次一样的结果。并且L1出现在相同的基因组位置上。相信,这次淋病奈瑟菌上人类序列才是真实的“古怪的传递”。

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博主介绍: Ed Yong,著名科学作者。他白天在英国癌症研究中心上班,晚上回家写他自己的科普博客Not Exactly Rocket Science。他的文章被众多知名刊物采用,包括New Scientist, Nature, the Economist, the Guardian, the Daily Telegraph以及SEED等。

The End

发布于2011-02-21, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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Sophia

生命科技探索者

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