单个细胞有7个基因组

本文转自：中国科学报

Cryptomonas gyropyrenoidosa的细胞内有7个基因组。图片来源：Emma George

一种于50多年前收集并在实验室中生长的单细胞藻类，原来是一个由曾经独立的生物组成的奇怪集合体，里面有不少于7个不同的基因组。相关成果近日发表于《当代生物学》。

“据我所知，单个细胞中有7个不同的基因组是创纪录的。”在加拿大不列颠哥伦比亚大学进行这项研究的Emma George说。

这种藻类被称为隐藻，是博物学家Ernst Georg Pringsheim在1970年前收集的，并收藏于德国哥廷根大学。1988年，一项显微镜研究揭示了这种藻类细胞中的细菌，以及一些细菌中的病毒。

受该研究启发，George要来了一些藻类样本，以便她的团队对细胞内所有DNA进行测序，并识别其中的病毒和细菌。

细胞作为共生细菌的宿主并不罕见。复杂细胞被认为是在大约30亿年前出现的，当时一种细菌开始在另一个简单细胞内生存并形成了伙伴关系，这种现象被称为内共生。这种细菌进化成产生能量的线粒体，后者存在于几乎所有复杂细胞中。

虽然复杂细胞的主要基因组在细胞核中，但是线粒体仍然保留着小基因组。这意味着大多数动物细胞有两个不同的基因组，每个细胞的线粒体基因组多达数千个拷贝。

大约10亿年前，植物细胞通过获得一种蓝细菌而拥有光合作用的能力。这进化成了叶绿体，叶绿体也保留了部分基因组，因此植物细胞有3个不同的基因组——核基因组、叶绿体基因组和线粒体基因组。

然而，隐藻并不是植物细胞。它们最初是自由游动的捕食性细胞，通过吞噬一种复杂的植物细胞红藻，而不是蓝细菌，获得了光合作用的能力。

这种红藻的细胞核以缩小的形式保留下来，因为它含有一些光合作用所必需的基因。因此，所有隐藻都有4个不同的基因组——细胞核基因组、红藻的残余细胞核基因组、线粒体基因组和叶绿体基因组。

哥廷根菌株有另外3个不同的基因组。George团队发现，哥廷根菌株还获得了另外两种细菌内共生体，其中一种感染了噬菌体病毒。

“两个不同的内共生体，其中一个被噬菌体感染，所有这些都在一个细胞内，这太神奇了。”George说。

研究团队将宿主细胞鉴定为Cryptomonas gyropyrenoidosa，这两种细菌分别为Grellia numerosa和Megaira polyxenophila，感染Megaira polyxenophila的病毒为噬菌体MAnkyphage。

George认为，这种集合体存在于Pringsheim收集的藻类中，并从那时起传给了所有的后代，大约4400代。

令人惊讶的是，在宿主隐藻中，噬菌体感染的细菌比未感染的细菌更丰富。George说，尚不清楚噬菌体是如何在不消灭宿主细菌的情况下存活下来的，但噬菌体确实拥有可能有助于细菌与宿主相处的基因。“这一体系必须保持一种平衡。”George说。

研究复杂细胞进化的荷兰阿姆斯特丹大学的Dave Speijer说，这项研究表明宿主与其中的细菌和病毒之间的关系非常复杂。但他想知道，在现实世界中这种关系是依然存在，还是仅仅因为细胞被保存在稳定的实验室环境中而持续存在。（文乐乐）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.04.010