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题目：Borgs are giant genetic elements with potential to expand metabolic capacity
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年10月19日
通讯作者单位：加州大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05256-1
主要内容：
大多数微生物都有一个单一的染色体，它容纳了几乎所有的遗传信息。额外的基因组信息经常在被称为染色体外元素（ECEs）的非染色体DNA片段中编码，它们以质粒等结构的形式存在，由线性或环状的DNA组成。Al-Shayeb等人研究发现了异常大的ECEs，其中包含众多不同的基因，编码参与代谢活动的蛋白质。作者假设，这些ECEs增加了它们的微生物宿主消耗温室气体甲烷的能力。
作者在分析取自美国的湿地土壤、地下（与沉积物有关的）水和矿井排放物等样本时发现了19种大型ECE。被认为承载ECE的细胞来自Methanoperedens属，这是一组古细菌--单细胞微生物，在进化上与细菌不同。据推断，这些ECEs在Methanoperedens细胞中进行复制，并且像大多数ECEs一样，有从其他生物体和环境中获取遗传信息的倾向。为了强调这种吸收基因的能力，特别是从它们的Methanoperedens宿主那里，Al-Shayeb及其同事将这些ECEs命名为Borgs，以科幻小说《星际迷航》中的一群外星人命名--这些生物吸收了整个银河系的数千个物种。
大多数恢复的博格序列是这些ECE的部分代表，但有四个完整的序列，它们有一个共同的基因组组织。据推断，这些序列是线性的，大小从662到918千碱基对的DNA。
大多数博格编码的蛋白质对应于未知的假设蛋白质，但大约21%的蛋白质与古生物蛋白质相匹配，其中大多数（根据基因和蛋白质序列的相似性和其他特征）被分配到Methanoperedens。Al-Shayeb及其同事排除了这些序列代表以前未知的古人类基因组的想法，因为它们几乎完全缺乏古人类的特征基因--标记基因或编码制造蛋白质的机器部件（核糖体蛋白）的基因。作者得出结论，这些新的序列不能独立存在于微生物中，必须是真正的ECE。Borgs和它们的潜在宿主之间的丰度比从2:1到8:1不等，这表明Methanoperedens细胞可以藏有同一Borg的多个拷贝。有趣的是，几个具有相对较高丰度的Methanoperedens的样本缺乏Borg，支持这些ECEs只与特定类型的Methanoperedens宿主有关的观点。
Borgs可能不是染色体。它们也不符合病毒的要求，因为它们缺乏编码可识别的蛋白质的序列，而这种蛋白质是构建保护性病毒衣壳所必需的，它对包裹病毒的遗传物质和帮助病毒感染细胞是必不可少的。因此，这些大型ECEs可能代表质粒。在大多数情况下，细菌或古细菌DNA分子形式的质粒比其宿主的染色体小，一般来说是可有可无的，而且它们通常编码蛋白质，提供在特定条件下使其宿主具有优势的功能。所有这些标准都可能适用于Borgs，因此，基于它们的大尺寸，Borgs可以被归类为ECEs，称为巨型质粒。
众多的细菌和古细菌都藏有巨型质粒。这些大型ECE比染色体有更大的基因组灵活性，这使ECE能够通过一个称为水平基因转移的过程从其他微生物那里获得许多基因。
迄今发现的最大的线性质粒之一是十多年前在链霉菌属的细菌中发现的。这些巨型质粒的大小高达1.8兆字节对，密布着编码抗生素生产的酶的基因。另一个已知有长度达1.2兆对的巨型质体的细菌系是鞘氨醇菌属。这些巨质体编码的酶参与碳氢化合物和有机氯等分子的降解，它们有助于提高该属的代谢灵活性。
以前确定的古菌巨质体主要来自嗜盐古菌，其大小高达698千碱基对。一些古菌巨质体携带被认为对细胞活力至关重要的基因，并被称为迷你染色体，模糊了质粒和染色体之间的术语界限。总的来说，到目前为止，报告的古细菌巨型质粒的数量有限，因此很难分辨出这些幼体的一般特征。然而，与目前已知的古生物巨质体相比，Borgs因其独特的特征而脱颖而出。它们是已知的最大的古生物质粒，也是目前与古生物领域相关的线性巨质粒的第一个例子。此外，它们的特点是有一系列功能未知的重复DNA序列。
虫体编码的酶具有广泛的代谢功能，包括促成甲烷的氧化等反应。像许多其他的古菌一样，Methanoperedens在全球碳循环中具有重要的作用--这是一个调节地球气候的关键过程，其中甲烷是一种主要的化合物。甲烷由古菌大量生产和消耗。事实上，古细菌占全球每年产生的甲烷的50%以上。然而，甲烷释放到大气中也被消耗甲烷的微生物所对抗，在缺氧的环境中，这一作用是由诸如Methanoperedens的微生物来完成的。这些微生物使用一种依赖于一种叫做MCR的酶的途径来分解甲烷。两个新发现的Borgs有编码MCR所有亚单位的序列。
在ECE中发现的MCR编码基因是非常了不起的。有几个Borgs基因还编码参与MCR催化功能所需的非蛋白 "辅助 "分子（辅助因子）的生物合成的酶，以及参与四氢甲基蝶呤生物合成的酶，后者是一种被称为辅酶的成分，是缺氧（厌氧）生境中甲烷生产和消耗所需的。这些基因在Methanoperedens物种的染色体上也有编码。
Al-Shayeb及其同事认为，ECE编码的基因扩大了宿主的通用剧目，可能使宿主在不同的条件下扩展其代谢功能。一个名为丁香博格的ECE，编码了16个多毛细胞色素分子。这些细胞色素可能使Methanoperedens物种在甲烷消耗期间转移电子。作者推测，这些基因的大量拷贝增加了Methanoperedens物种代谢甲烷的能力。需要通过实验验证来证明这一点，并表明博格编码基因的转录是对环境条件变化的一种反应。
在Methanoperedens物种或任何其他能在无氧条件下代谢甲烷的古生物系中验证Borg功能的一个主要障碍是缺乏在体外培养这些细胞的方法。尽管已经建立了几个富集这类微生物的系统，其中一些系统的古生物群落以甲烷代谢微生物为主，但没有一个系统被报道含有大型线性幼体。一项预印本研究描述了生物反应器中与Methanoperedens有关的大型质粒。然而，这些质粒被描述为环状，长度最多仅为192千碱基对，并出现在不宿主Borgs的Methanoperedens物种中。因此，利用体外条件生长的含有博格的微生物的伟大狩猎开始了。
在这种培养物建立起来之前，研究人员可能将依靠独立于培养物的方法来检查环境样品中的Methanoperedens及其ECE。在这样做的过程中，应该使用诸如长读DNA测序的方法来改进博格的部分序列的组合。这种方法将有助于揭示许多重复的DNA序列的组成，并证实或否定Borg的线性。
Borgs在Methanoperedens细胞内的物理位置可以用诸如基于细胞分类的单细胞基因组方法进行验证。这将使单个微生物细胞的物理分离和DNA测序成为可能，并确定其整个基因组，包括染色体和ECEs。此外，在一系列条件下分析基因表达的方法，如元转录组学，可以帮助破译Borg相关基因是否在其宿主中表达，如果是的话，何时表达。这样的证据可能支持这样的假设：Borg编码的酶扩展了Methanoperedens可以代谢甲烷的条件。
Borgs是基于对基因组序列解释的一个令人兴奋的发现。它们的大尺寸、线性性质、富含重复的特征和众多的代谢基因扩大了已知的巨型质粒的种类。观察Borgs是否影响其原生地的碳循环，特别是关于甲烷的消耗，将是令人兴奋的。与《星际迷航》中的博格人相比，我们宇宙中的博格人可能是利用同化来拯救而不是征服一个世界。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05256-1
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