一項新的研究揭示了細胞外囊泡在海洋微生物間橫向基因轉移中的重要作用。這項發現挑戰了人們對基因交換機制的現有看法，並提出了”受保護的胞外DNA”（peDNA）這一新名詞，以涵蓋病毒以外的多種基因載體，為未來在各種生態系統中的研究指明了新方向。

細胞外囊泡對海洋中橫向基因轉移的貢獻比以前想像的要大得多。

海洋中充滿了微生物，它們進行動態的遺傳物質交換。這個過程被稱為水平基因轉移（HGT），在眾多物種的演化過程中發揮關鍵作用，也是細菌抗藥性傳播的關鍵因素。傳統上，人們認為這種基因交換主要是透過直接的細胞接觸、自由漂浮的DNA 或病毒進行的。

不來梅馬克斯-普朗克海洋微生物研究所的蘇珊娜-埃爾德曼領導的一項研究現在表明，所謂的胞外囊泡對海洋中遺傳信息的傳遞也非常重要，因此對海洋中最小的居民的生活也非常重要。

病毒、GTA、EV：微小而數量眾多

大多數病毒都很微小。在每一滴海水中都能發現多達1000 萬個病毒。它們不僅能將自己的遺傳物質（基因組）打包，也能將宿主的部分DNA（即它們感染的生物體的DNA）傳送到其他細胞中。

研究病毒極具挑戰性。海水樣本必須透過孔徑僅0.2 微米（比人的頭髮絲粗約小300 倍）的過濾器過濾，才能將病毒與細胞分離。除病毒外，這些過濾後的樣本還含有所謂的基因轉移劑（GTAs）和細胞外囊泡（EVs）。

在這項研究中，不來梅馬克斯-普朗克研究所的研究人員也在北海赫爾戈蘭島附近採集了水樣本。圖片來源：Silvia Vidal / 馬克斯-普朗克海洋微生物研究所

GTAs 是專門包裹宿主DNA 的病毒樣顆粒，EVs 是由膜包裹的小囊泡，會從宿主的細胞表面脫離。這些EVs 可包含多種分子。除了酵素、營養物質和RNA 外，它們還經常運輸DNA 片段。

Erdmann 和她的團隊現在已經證明，與先前的假設不同，過濾海水樣本中有大量宿主DNA 沒有被病毒轉運。證明這一點極為複雜。不萊梅馬克斯-普朗克研究所馬克斯-普朗克古菌病毒學研究小組組長埃德曼解釋說：”在測序（即讀出宿主DNA）之後，我們再也無法辨別它是如何進入我們的樣本中的。但沒有任何特徵可以將序列歸屬於特定的運輸機制”。

為了解決這個問題，研究人員使用了一個技巧。第一步，他們將每個DNA 序列分配給其最初來源的宿主。然後，他們盡可能確定每個宿主的主要運輸機制–即透過病毒、GTA 或EV。這樣，他們就能為特定的DNA 序列分配一種潛在的運輸機制。

艾德曼說：「結果令人吃驚：顯然，很大一部分DNA 不是透過傳統途徑運輸的，而是透過細胞外囊泡運輸的。”

不僅僅是廢物

“長期以來，細胞外囊泡一直被視為細胞廢物。直到最近15 年，科學家才得以展示它們對細胞的各種功能。我們的研究清楚地強調了細胞外囊泡在細胞間交換遺傳物質方面發揮的基本作用，”埃德曼研究小組的博士生、該研究的第一作者多米尼克-呂克金（Dominik Lücking）解釋說，該研究現已發表在《ISME通訊》（ISME Communications）雜誌上。

因此，作者建議改變術語。Lücking說：”傳統上，從0.2微米餾分中提取DNA並測序時，我們談論的是病毒組，即富含病毒的元基因組。然而，這樣我們就忽略了這部分中其他非病毒樣顆粒的多樣化性，如EVs。因此，我們建議將這一部分稱為’受保護的細胞外DNA’，或peDNA。”

本文介紹的研究為未來在海洋及其他所有生態系中進行peDNA 研究奠定了基礎。Erdmann 說：”新的命名法將使我們能夠更清楚地談論病毒體一詞未涵蓋的機制和過程。”

未來的研究可以以這項研究為指導，評估細胞外囊泡在土壤、淡水系統或人類腸道等其他環境中的作用。”鑑於水平基因轉移在許多生態系統中的重要作用，我們確信在未來的道路上還會有更多的驚喜。”