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生物学家将植物稳定的线粒体基因组追踪到病毒和细菌中的一个

可以说,每个人类细胞内产生能量的细胞器——线粒体,是按照自己的节奏跳舞的。毕竟,它们有自己的基因组——一组包含dna的染色体——与细胞核的基因组完全分离。

线粒体对生命至关重要,因为它们为细胞的生化反应提供能量,但它们也有很多错误,也就是说,它们的基因组有很多错误。众所周知,人类线粒体基因组容易发生突变,这就是为什么许多遗传疾病——从糖尿病到线粒体肌病——都与这个细胞器中的基因故障有关。

科罗拉多州立大学的生物学家丹·斯隆试图弄明白为什么人类线粒体基因组如此混乱,他认为我们有很多东西需要从我们进化过程中非常遥远的表亲——植物身上学习。和我们一样,植物也有自己的线粒体基因组,但与我们不同的是,植物线粒体基因组的突变率是所有生物中已知的最慢的——大约每一个DNA位置在十亿年里发生一次突变。对于许多生物学家来说,它们是如何将自己的基因序列锁在一起的,而我们却不能,这一直是一个谜。

斯隆得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的一笔拨款,用于研究为什么植物具有如此稳定的线粒体基因组,而他的实验室最近遇到了一个诱人的线索。他们将这种稳定性追溯到一种特殊的基因——msh1。植物有这种基因,但动物(包括人类)没有。他们的实验发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上,该实验可能有助于深入了解动物线粒体基因组往往会发生突变的原因,并可能导致防止此类突变的突破性疗法。

“了解一些系统是如何能够保持如此精确、如此低的突变率的,就为理解硬币的另一面提供了机会——人类线粒体突变率为何如此之高,”生物系副教授斯隆说。“这并不像有些人认为的那样,仅仅是这些线粒体腔内发生的令人讨厌的化学反应。这可能会归结为生物纠错机制的更多差异。这是这项研究的妙语之一。”

测试了几种可能的基因

研究人员测试了几个他们认为可能与线粒体基因组稳定性有关的植物基因。他们发现,破坏一种常见植物——拟南芥的MSH1基因,会导致点突变频率的大幅增加和线粒体DNA的改变。结果证明,MSH1包含的分子特征可能使其能够识别DNA复制过程中核苷酸碱基配对的不匹配。研究人员计划在以后的研究中继续对这一假设进行研究。

MSH1基因存在于植物中,但不存在于动物中,这就很好地解释了为什么人类线粒体基因组经常发生突变。研究人员接着问,这种基因从何而来?

为了找到答案,本科研究员和论文合著者康纳·金开始探索基因在生命树中的分布。他通过计算挖掘核苷酸和蛋白质序列库来发现哪些物种拥有这种基因。他不仅在植物中,而且在许多复杂生物谱系中发现了这种基因的证据,包括单细胞真核生物,以及一些原核生物和病毒物种。

金的分析提出了这种基因来自所谓巨型病毒的可能性,这种病毒的基因组几乎和细菌一样大,而且比典型病毒复杂得多。它们可能通过一种古老的水平基因转移与其他生物共享,即一个物种将DNA转移到另一个物种。

“Connor的研究结果清楚地告诉我们,这个基因已经转移到了生命树的不同部分,”Sloan说。这一观点与一些生物设法借用病毒的机制,并用自己的机制取而代之的观点是一致的。

先进的DNA测序技术使这项研究成为可能。在这种技术中,可以挖掘大量的DNA,发现非常罕见的突变。一项关键的创新是由研究生和合著者格斯·瓦内卡领导的,他定制了一种叫做双工测序的技术,以提高其准确度,使其在团队得出结论所需的误差范围内。

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