基因組中先前未被認(rèn)可的相互作用可能是數(shù)十億年前先進(jìn)生命出現(xiàn)的驅(qū)動力之一。這一發(fā)現(xiàn)始于對逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的好奇心，后者被稱為“跳躍基因”，它是在基因組中復(fù)制和粘貼自身的DNA序列，迅速繁殖。近一半的人類基因組由反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子組成，但細(xì)菌幾乎沒有它們。

Nigel Goldenfeld，伊利諾伊大學(xué)物理學(xué)院Swanlund Endowed和Carl R. Woese基因組生物學(xué)研究所，以及現(xiàn)任加州大學(xué)河濱分校伊利諾伊州前物理學(xué)教授Thomas Kuhlman，想知道為什么會這樣。 “我們認(rèn)為一個非常簡單的嘗試就是從我的基因組中取出一個(反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子)并將其放入細(xì)菌中，看看會發(fā)生什么，”庫爾曼說。“結(jié)果證明它非常有趣。”

他們的研究結(jié)果發(fā)表在“ 美國國家科學(xué)院院刊”上，更深入地探討了數(shù)十億年前可能出現(xiàn)的先進(jìn)生活的歷史 - 并且還有助于確定其他星球上生命的可能性和本質(zhì)。 在解釋生命的過程中，研究人員首先遇到死亡 - 細(xì)菌死亡，即。當(dāng)他們將反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子放入細(xì)菌中時，結(jié)果是致命的。 “當(dāng)他們跳起來復(fù)制自己時，他們會跳進(jìn)細(xì)菌需要存活的基因，”庫爾曼說。“這對他們來說非常致命。”

當(dāng)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在基因組中復(fù)制時，它們首先在DNA中找到一個點(diǎn)并將其切開。為了生存，有機(jī)體必須修復(fù)這種切割。一些細(xì)菌，如大腸桿菌，只有一種方法可以進(jìn)行這種修復(fù)，通常最終會去除新的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子。但是，先進(jìn)的生物(真核生物)還有一個額外的“技巧”，稱為非同源末端連接，或NHEJ，它們?yōu)樗麄兲峁┝诵迯?fù)DNA切割的另一種方法。

Goldenfeld和Kuhlman決定看看如果他們給細(xì)菌做NHEJ的能力將會發(fā)生什么，認(rèn)為這將有助于他們?nèi)淌軐λ麄兊腄NA的損害。但它只是使反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在倍增時更好，造成的損害比以前更大。

“它完全殺死了一切，”庫爾曼說。“當(dāng)時，我以為我做錯了什么。”

他們意識到NHEJ和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子之間的相互作用可能比他們之前想象的更重要。

真核生物通常在其基因組中具有許多反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，以及許多其他“垃圾”DNA，其沒有充分理解的功能。在基因組中，NHEJ和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子之間必然存在恒定的相互作用，因?yàn)镹HEJ試圖控制反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的繁殖速度。這使得生物體在其基因組上具有更大的能量，并且“垃圾”DNA的存在是重要的。

“當(dāng)你的DNA變得越來越垃圾時，你可以開始拍攝這些碎片并以不同的方式將它們組合在一起，比沒有那里的所有垃圾更多的方式，”庫爾曼說。

這些條件 - “垃圾”DNA的積累，反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的存在及其與NHEJ的相互作用使基因組更加復(fù)雜。這是一個可以區(qū)分先進(jìn)生物(如人類)與簡單生物(如細(xì)菌)的特征。

先進(jìn)的生物也可以通過使用它們的剪接體來管理它們的基因組，剪接體是一種通過“垃圾”DNA分類并將基因重建回正常的分子機(jī)器。

剪接體的某些部分類似于第II組內(nèi)含子，細(xì)菌的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的原始形式。內(nèi)含子也存在于真核生物中，并且與剪接體一起從進(jìn)化上衍生自II組內(nèi)含子。戈德菲爾德說，這提出了一個進(jìn)化問題。

“首先是什么，剪接體或第二組內(nèi)含子?顯然是第二組內(nèi)含子，”他說。“那么你可以問：真核細(xì)胞首先得到那些II組內(nèi)含子，以便在早期建立剪接體?”

這項(xiàng)研究表明，第二組內(nèi)含子，剪接體中內(nèi)含子的祖先和真核生物中的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，以某種方式侵入了早期的真核細(xì)胞。然后，他們與NHEJ的相互作用產(chǎn)生了“選擇壓力”，這有助于導(dǎo)致剪接體的出現(xiàn)，這有助于數(shù)十億年前的生命發(fā)展。

通過使真核生物能夠利用其DNA做更多事情，剪接體幫助生命進(jìn)步。例如，盡管人類與線蟲(一種蠕蟲)具有大致相同數(shù)量的基因，但人類可以對這些基因做更多的事情。

“這種非常簡單的蠕蟲與人類之間沒有太大區(qū)別，這顯然是瘋了，”Goldenfeld說。“正在發(fā)生的事情是，人類能夠利用這些基因并將它們以多種組合進(jìn)行混合和匹配，以完成比線蟲更復(fù)雜的功能。”

NHEJ和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子不僅有助于剪接體的產(chǎn)生; 這項(xiàng)研究表明，他們也可能協(xié)助制作染色體 - 含有遺傳物質(zhì)的DNA分子 - 更先進(jìn)。NHEJ和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子之間的相互作用可能有助于從圓形染色體(細(xì)菌通常具有)到線性染色體(更先進(jìn)的生物體具有)的轉(zhuǎn)變，這是高級生命的另一個指標(biāo)。

Goldenfeld說，在這項(xiàng)研究之前，許多研究人員研究了反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的作用，但NHEJ的重要性尚未得到充分認(rèn)識。這項(xiàng)研究證明，它在數(shù)十億年前在真核生物中發(fā)揮作用，成為我們今天所知的先進(jìn)生物。

“這當(dāng)然不是唯一發(fā)生的事情，”Goldenfeld說。“但如果沒有發(fā)生，很難看出你如何擁有復(fù)雜的生活。”

這項(xiàng)研究有助于提出更大的問題，即Goldenfeld指導(dǎo)的美國宇航局天體生物學(xué)研究所普遍生物學(xué)研究所試圖回答這樣的問題：為了讓生命變得先進(jìn)，必須發(fā)生什么?

更詳細(xì)地回答這個問題可以幫助科學(xué)家確定在其他星球上生命的可能性。

“如果生命存在于其他星球上，可能人們會認(rèn)為它是微生物。它是否能夠?qū)⑦@種過渡轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的生命?” 戈德菲爾德說。“并不是說你不可避免地要獲得先進(jìn)的生活，因?yàn)橛泻芏嗍虑楸仨毎l(fā)生。”

本研究的物理學(xué)觀點(diǎn)有助于量化這些理論問題。這種量化來自于簡單地在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測量并使用這些測量來制作進(jìn)化模型，如本研究中所做的那樣。

在這樣做的過程中，實(shí)驗(yàn)室中的基本測量成為過去的時間機(jī)器。

“我們正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化，”Goldenfeld說。“我們正在研究數(shù)十億年前必然會發(fā)生的進(jìn)化過程。”