来自细菌捕食者的可移动内含子RNA在古细菌死亡细胞中积累

微小捕食者与隐藏信息

在地球那些黑暗、无氧的角落，微观捕食者以缓慢的方式狩猎其他微生物，这些缓慢的搏斗塑造着碳如何循环与甲烷如何产生。这项研究关注一种在这些遭遇中意外移动的物质：来自细菌捕食者的一段基因RNA，最终出现在另一个生命域——古细菌的死亡细胞内。该工作提供了罕见的实时视角，显示遗传元件如何可能在生命之树的远支之间跳跃，支持关于“水平”基因转移与古老RNA世界的长期观点。

简单细胞中的跳跃基因

许多细菌和古细菌携带被称为内含子的遗传搭便车者——这类DNA片段会被转录为RNA然后在生成可工作的分子前被剪切掉。在复杂生物中，内含子是基因的常见特征，但在简单细胞中它们较少见且常表现为可移动的自由搭便车者，能够在基因组中迁移并侵入新位置。本研究关注的是位于一种超小型细菌捕食者Candidatus Velamenicoccus archaeovorus的23S核糖体RNA基因内的一种“I组”内含子。该细菌附着在长丝状古细菌细胞表面，存在于一个长期维持的实验室培养物中，该培养以柠檬烯为底物并缓慢产生甲烷。

一个缓慢、封闭的微生物世界

研究者使用了一个在无氧条件下维持了二十多年的富集培养，该培养以柠檬烯为唯一碳源且每年仅转接一次。在这个封闭体系中，不同微生物既合作又竞争。一个细菌伙伴将柠檬烯分解为更小的化合物，几种产甲烷古菌，包括形成丝状的物种Methanothrix soehngenii，将那些产物转化为甲烷。超微细菌Ca. Velamenicoccus archaeovorus作为一种表生物，附着在这些丝状体表面。先前的工作表明它具有捕食者行为：一些丝状细胞看起来已死亡但仍含有DNA和脂质，这意味着捕食者提取了关键的细胞成分而留下部分细胞外壳。

在死亡细胞中观察到外来RNA

为检验捕食者是否将其内含子RNA传入古细菌宿主，团队使用了一种敏感成像技术CARD‑FISH，该方法使用带标签的短DNA探针点亮保存细胞内的匹配RNA分子。他们设计了三种识别该内含子RNA的探针，并将它们与识别捕食者核糖体RNA的探针及DNA染色结合使用。显微镜下，内含子信号既出现在微小的球形捕食者细胞中，更重要的是出现在大型Methanothrix丝状体的某些片段内。显示内含子信号的这些丝状细胞丧失了自身的核糖体RNA，这是死亡的标志，但仍含有DNA，证实它们已死亡但尚未完全分解。序列反向的对照探针未产生信号，这支持了内含子信号的特异性。

计数稀有的RNA旅客

为了补充成像结果，作者们重新分析了先前从同一培养物生成的大型RNA测序数据集。因为该样本未去除核糖体RNA，他们可以直接比较内含子序列出现的频率与正常、完全加工的23S核糖体RNA的频率。他们发现匹配内含子的测序读数大约是成熟23S RNA的1/20000，意味着大多数内含子拷贝在初级转录本中都已被成功剪除。少数读数跨越了内含子与其相邻序列的边界，表明极小比例的转录本未被剪接。结合成像结果，这表明被切除的内含子RNA分子确实在培养物中存在，并且可以在其原始宿主细胞之外被检测到。

这些RNA如何存活并继续传播

内含子RNA出现在死亡古细菌细胞内这一现象提出了这些分子如何持续足够长时间以发挥作用的问题。以往研究显示，I组内含子剪接后可以形成环状RNA，这类环比线性RNA更能抵抗通常降解RNA的酶。该捕食者的基因组还编码一种特殊的逆转录酶——一种可以将RNA逆转录为DNA的酶——此前在同一培养物中被检测到有蛋白存在。早期研究的电子显微照片显示捕食者与受害者之间存在开放的细胞质接触，提示不仅RNA而且可能连同该酶一起能够进入古细菌细胞。如果环状内含子RNA与逆转录酶共同进入受害细胞，它们原则上可以被复制为DNA并插入古细菌基因组，形成在新宿主中的新内含子。

这对生命的基因流通意味着什么

对非专业读者来说，主要结论是这项研究提供了直接的显微证据，表明一段可移动的细菌RNA可以离开其宿主细胞并在一种非常不同微生物的死亡残骸中积累。这种移动是水平基因转移的关键早期步骤——基因及遗传元件跨物种传播的过程。该工作还扩展了人们对细胞外RNA已知角色的认识——除了信号传递与生长抑制外，现在还应包括可移动内含子RNA。从更宏观的角度看，这类可移动RNA及其相关酶有助于解释遗传创新如何在微生物群落中随时间被重排，模糊了生命不同分支之间的界限。

引用: Kizina, J., Lonsing, A. & Harder, J. Mobile intron RNA from a bacterial predator accumulates in dead archaeal cells. Sci Rep 16, 14654 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51721-6

关键词: 可移动内含子, 细胞外RNA, 微生物捕食, 水平基因转移, 产甲烷古菌