微小的海洋细菌交换遗传信息甚至从远处

从热带到极地,从海面到数百英尺,世界海洋充满了最微小的生物体之一:一种细菌Prochlorococcus,尽管他们分大小共同负责海洋的相当大一部分氧气生产。但这些微小的生物多样化的非凡的能力和适应这种截然不同的环境中仍然是一个谜。

现在,新的研究表明,这些小细菌交换遗传信息,即使相隔,以前无证机制。这让他们传播整个街区的基因,如赋予一种特殊的营养代谢能力或保护自己免受病毒,甚至在他们的地区人口相对稀疏的水。

结果描述一种新的基因代理参与水平基因转移,直接在生物之间传递遗传信息的——是否相同或不同的物种——通过非直系后裔。研究人员被称为代理执行转移“tycheposons”,这是DNA序列,可以包括几个完整的基因以及周围的序列,并能自发地从周围的DNA分离。然后,他们可以运送到其他生物的一个或另一个可能的载体系统包括小气泡称为囊泡,细胞可以产生从自己的膜。

研究,包括数以百计的学习Prochlorococcus基因组从不同的世界各地的生态系统,以及实验室培养的样品不同的变体,甚至进化过程实施和在实验室里观察到,今天在《华尔街日报》报道细胞一篇论文中,前麻省理工学院博士后机械参数和拉斐尔Laurenceau访问博士后马库斯Ankenbrand,学院教授萨利•奇泽姆“便士”,和其他16个在麻省理工学院和其他机构。

Chisholm,他扮演了一个角色在这些无处不在的微生物的发现在1988年,新发现的说,“我们非常兴奋,因为这是一个新的细菌水平基因转移剂,它在很大程度上解释了我们看到的模式Prochlorococcus在野外,令人难以置信的多样性。”没有w thought to be the world’s most abundant photosynthetic organism, the tiny variants of what are known as cyanobacteria are also the smallest of all photosynthesizers.

Hackl,他现在是荷兰格罗宁根大学的,说工作开始于623年通过研究不同物种的基因组序列Prochlorococcus来自不同地区,试图找出他们如何能够轻易失去或获得的特定功能尽管明显缺乏任何已知的系统升级/提高水平基因转移,如质粒或病毒被称为噬菌体原。

Laurenceau, Hackl Ankenbrand调查和遗传物质的“岛屿”,似乎是热点的可变性和通常包含基因与已知密钥关联的生存过程,如吸收必要的能力,并经常限制,营养物质如铁,或氮、磷酸盐。这些岛屿包含不同物种之间的基因差别巨大,但他们总是发生在相同的部分基因组,有时甚至是几乎相同的广泛不同的物种——一个强大的指标水平转移。

但基因组显示没有通常的特性与所谓的移动遗传相关元素,所以最初这仍然是一个谜。这逐渐变得明显的基因转移系统和多样化不同于任何其他机制,曾被观察到在其他生物,包括人类。

Hackl描述他们发现类似的一组基因乐高,用大块的DNA捆绑在一起的方式几乎可以立即授予适应特定环境的能力。举个例子,一个物种的可用性的限制特定的营养可以获得基因需要加强营养的吸收。

微生物似乎使用多种机制来运输这些tycheposons(名字来源于希腊女神的名字堤喀,海神的女儿)。之一是使用膜小泡,小泡沫袋形的从一个细菌细胞的表面和里面tycheposons发布。另一个是“劫持”病毒或噬菌体感染和允许他们携带tycheposons连同自己的感染性粒子,称为衣壳。这些是有效的解决方案,Hackl说,“因为在开放海域,这些细胞细胞间接触很少,所以很难交换遗传信息没有车。”

果然,当衣壳或囊泡从公海进行了研究,“其实很丰富”这些遗传元素,Hackl说。有用的基因编码的数据包是“实际上游泳在这些细胞外的粒子和潜在的能够被其他细胞。”

Chisholm说“在基因组学的世界里,有很多不同类型的这些元素”——DNA序列,能够从一个基因组转移到另外一个。然而,“这是一种新型,”她说。Hackl补充道,“这是一个不同的家庭移动遗传元素。它有相似之处,但没有真正紧密连接到其中任何一个。”

尽管这项研究是针对ProchlorococcusHackl说,研究小组认为,这一现象可能更普遍。他们已经发现了类似的基因在其他元素,海洋细菌无关,但尚未详细分析这些样本。”类似的元素中描述的其他细菌,和我们现在认为他们可能功能类似的,”他说。

“这是一种即插即用的机制,你可以,你可以玩玩,让所有这些不同的组合,”他说。“和巨大的人口规模Prochlorococcus,它可以玩很多,尝试许多不同的组合。”

生物学助理教授Nathan Ahlgren克拉克大学的他并没有与此相关的研究,说“tycheposons是重要的和令人兴奋的发现,因为它提供了一种新的机械的了解Prochlorococcus可以交换在新基因,因此生态的重要特征。Tycheposons提供一种新的机械的解释它是如何做的。”He says “they took a creative way to fish out and characterize these new genetic elements ‘hiding’ in the genomes of原。球藻”

他补充说,基因组岛的部分基因组,发现这些tycheposons”被发现在许多细菌,不仅仅是海洋细菌,所以未来的工作tycheposons更广泛的影响了我们对细菌基因组的进化的理解。”

参考:Hackl T, Laurenceau R, Ankenbrand MJ, et al。小说在海洋生态系统综合元素和基因组可塑性。细胞。2023,186 (1):47 - 62. e16天。doi:10.1016 / j.cell.2022.12.006。

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