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马达加斯加的“转基因工厂”:青蛙为什么有了蛇的基因?

从青蛙体内发现了蛇的基因,到底是怎么回事?其实并不奇怪,这就是基因的水平转移。近年来,研究人员发现了许多基因水平转移的现象,不仅在细菌这样的原核生物身上,也在真核生物,甚至是植物和昆虫之间,都有基因的跳跃。这或许就是生存的智慧。

 

撰文 | 顾舒晨

“共享XX”你或许见得多了,但你听说过“共享基因”吗?其实,我们身体里的某些基因,可能与蜥蜴、青蛙、螃蟹,乃至海胆这些物种相似,甚至有些生物中的基因就是从别的生物转移而来!虽然这样的基因“转移”让人觉得不可思议,但事实上,在生物演化过程中,物种间的基因转移是一件经常发生的事。在自然界中,这种遗传物质的传递方式叫作基因的水平转移(Horizontal Gene Transfer, HGT)。

相对于基因的水平转移,我们更为熟知的是另一种基因的传递方式:竖向传递(Vertical Gene Transfer, VGT)。父母把他们的遗传物质传给你,再从你传递给你的孩子,子子孙孙无穷匮也。这种遗传物质伴随着繁殖过程、代代相传的现象,就是基因的 “竖向传递”,也是自然界中最广泛的遗传物质传递方式。

基因的水平转移则是指不同于常规的由亲代到子代的垂直基因传递,而能跨越种间隔离,在亲缘关系或远或近的生物有机体间进行的遗传信息转移。曾经,跨物种的基因水平转移被认为是仅在微生物之间发生的罕见事件,但得益于测序技术的发展,越来越多的证据表明,这一过程在生命之树各处一直进行着,近十年来有更多基因水平转移的现象被证实。而且该现象不仅发生在原核生物(有些原核生物的基因其水平转移的贡献高达25%[1][2, 3]、甚至在真核生物[4]、以及两者之间[5]都存在基因水平转移现象。并且发生基因水平转移的遗传物质除了DNA,还有mRNA [6],甚至是整个细胞器[7]

近期,研究人员发现一种起源于蛇的基因Bovine-B(BovB)已经多次跳过物种之间的屏障进入世界各地的青蛙,而且这一现象似乎在马达加斯加发生的频率远远高于其他地方。在仔细研究了世界各地的青蛙和蛇类物种的基因组后,科学家们于2022年4月在《分子生物学与进化》(Molecular Biology and Evolution)上发表了一篇论文,称这种基因以某种方式从蛇到青蛙,在地球上至少传播了50次[8]。但是在马达加斯加,该基因的流转更是以惊人的频率发生着:在那里的青蛙物种中,91%都存在这种基因。马达加斯加似乎有一种特别的动力促进了该基因的流动,科学家认为基因的水平传递可能会在某些地方发生得更为频繁,而生态环境很可能在这其中起了重要的作用。

起源于蛇的基因已多次跨越物种进入世界各地的青蛙基因中。图片来源:Fahmi Bhs


大自然的转基因艺术

基因水平转移在细菌中是很常见的。像细菌这样的原核生物,其DNA是裸露的,呈大小不同的环状,较容易发生基因转移。特别是在复制的过程中,细菌会复制其他物种的基因以适应环境的改变。这就是为什么细菌容易对抗生素产生耐药性的一个原因:耐药基因很容易发生水平传递,再加之细菌处在抗生素选择性压力下,拥有抗生素抗性基因的细菌将会繁殖,而没有发生基因突变的细菌将死亡,慢慢的耐药菌逐渐替代原始菌群成为了主要的菌群。细菌的基因交换非常频繁,以至于一些科学家甚至提出,细菌形成了一个相关生命的网络,而不是一个个细菌的分支家谱[9]

真核生物的细胞则与细菌这样的原核生物不同,真核生物会用堡垒一样的细胞核将基因组保护起来。在真核生物的细胞核内DNA会小心翼翼地盘绕起来,当有需要时才会用对应的酶调用出其中的某个基因。但近些年,涉及真核生物的水平基因转移的例子也不断被发现。例如,2021年3月发表在《遗传学进展》(Trends in Genetics)的一篇论文就证实,在北极、北太平洋和北大西洋的冰水中胡瓜鱼(Osmerus mordax)从同水域的鲱鱼(Clupea harengus)中获得了基因,该基因使得它的血液不会冻结[10],从而能更好的在寒冷的水中生存。

鲱鱼(上)和胡瓜鱼(下)都是冷水鱼,它们携带相同的基因使其可以在冷水中生存。图片来源:Four Oaks & Jack Perks


更为奇妙的是,有时候基因的水平传递还会跨越不同的物种在动物与植物之间传递。在2021年3月的《细胞》(Cell)杂志上,就报道了我国科学家历经20年追踪研究所得的这一惊人发现。他们发现被联合国粮农组织(FAO)认定的迄今唯一“超级害虫”烟粉虱(Bemisia tabaci),居然通过基因水平转移的方式从植物当中获得了一个新基因,并且利用这个新基因绕开了植物的防御系统,让烟粉虱成功寄生在很多植物之上。烟粉虱之所以能在全世界兴风作浪,对番茄、黄瓜、豆类、棉花等许多植物造成巨大破坏,背后的原因可能也正是如此[11]

从以上的研究可以发现,基因水平转移能帮助不同物种跳过由突变或重组而获得新基因的缓慢过程,加速基因组的革新和进化。但也不是所有的新转移来的基因都会在生物体内发挥作用。BovB就是一个例子,它最初发现于奶牛,后来被证实它在很怪异的动物组合之间跳跃,而它并不是一个传统意义上具有功能的基因——它只是具有将自己的DNA位点随意复制到其他位置的能力。尽管目前不能排除BovB也可能发挥某些功能使青蛙受益,但更有可能的是,BovB只是因为其自身在自我复制方面的强大能力,而在不同物种间积极的跳跃维持自己的持续存在。就像《自私的基因》一书中所描绘的那样,BovB基因所做的一切都是为了最大化给自己生存的机会。这有助于解释为什么当真核生物与其他生物的遗传物质在一起时,像BovB这样的跳跃基因总会参与其中。

病毒助力传播

读到这里,你一定会感到好奇,真核生物究竟是如何发生基因水平转移的。遗憾的是,目前我们对具体水平传递的机制还不是很清楚。但毕竟水平转移真正发生了,一定有什么因素帮助了基因的转移。科学家发现,病毒确实是一个可以帮助基因水平转移的工具。病毒,特别是逆转录病毒具有进入宿主细胞甚至进入细胞核的能力,它们能够将遗传物质插入宿主的基因组。事实上,我们人类的基因组中,有大约8%的DNA来自病毒,这也是远古人类被病毒感染后留下的片段。

此外,通过病毒实现的基因水平转移也是相互的,即不仅宿主会从病毒基因转移获得新的基因,病毒也会获得宿主的基因。2021年12月发表在《自然-微生物学》(Nature Microbiology)上的一篇论文首次阐述了对201种真核生物和108,842种病毒之间的基因水平转移的全面分析[12]。他们发现了超过6700个基因转移的证据,其中宿主到病毒的转移大约是病毒到宿主的转移的两倍。因此,研究人员认为基因水平转移是双方进化的主要驱动力。病毒通过获得的真核生物基因更有效地感染它们的宿主,而真核生物则会利用病毒基因获得新的特性。

病毒的参与也为真核生物间的基因水平转移提供了可能的解释。在真核生物中,转移的基因需要通过一系列的障碍。首先,它们必须从供体物种到达新的宿主物种。然后,它们必须进入宿主物种的细胞核并在基因组中安家。如果想要将转移的基因传给后代,则更难以实现,这意味着必须将水平转移的基因插入宿主物种的生殖细胞内,比如精子或者卵子。而病毒的参与将使这一过程更有可能发生。例如线虫(Nematode)这样的体型小的生物,它们的生殖道和生殖细胞与肠道距离很近,在肠道中定居的病毒就很有可能将基因带入生殖细胞内。而青蛙在繁育时会将卵子和精子释放到水中,这些细胞能通过周围环境中的病毒获得某些新基因。在一些大型生物中,这样的水平转移也可能比我们想象的容易。有些病毒专门感染生殖细胞,它们将为基因水平转移到生殖细胞提供便利。

科学家们认为,我们可以将基因水平转移看作是一个生物体和与其伴生或寄生的其他生物以及自然生态环境共同作用的结果。水平转移的基因往往会给宿主生物体提供生存优势,所以这个现象的发生与生物体所处的特定环境息息相关。但获得的基因也会随着环境的转变而改变,当转移来的基因不再提供有利的生存条件,它们也是会丢失的[13]

 

生态环境的影响

为了弄清基因水平传递的频率,科学家获取了世界各地的青蛙样本进行DNA测序。他们发现在马达加斯加以外的149个青蛙品种中,有50个品种的青蛙具有BovB基因。而在32种来源于马达加斯加的青蛙中,有29种青蛙携带了这种基因。马达加斯加的青蛙获得基因水平转移的比例明显高于世界其他地区。

非洲岛国马达加斯加风光,图中是著名的猴面包树。图片来源:Bernard Gagnon


马达加斯加的环境中有什么特别的因素使得基因的水平转移会发生的如此频繁呢?目前,对于这一问题科学家还没有准确的答案。论文作者猜测,生活在马达加斯加的蛇所带有的BovB基因可能与世界其他地方的蛇不同,它们更容易进入新的宿主。另外,马达加斯加岛上生活着丰富的寄生虫,比如这里有很多以吸食其他动物血液为食的水蛭,它们可能会将包含BovB基因的蛇血液带入到青蛙体内。或者基因先转移至水蛭的基因组中,再通过病毒或其他微生物的帮助下进入到青蛙体内。

蛇BovBs通过寄生虫的传播途径。图片来源:参考文献[8]

此外,他们还发现至少有两个青蛙品系的BovB基因,是在其祖先从非洲迁移到马达加斯加之后才获得的。由此看来,基因水平转移的速度并不是平均的,在不同的地理环境也有很大的差异。科学家认为如果能够有更多的研究观察全球范围内的基因转移现象,观察不同地区之间基因转移的速度,我们可能会惊奇的发现,地理环境的因素对基因水平转移的影响可能比我们想象的还要重要。

但想要捕捉和证实基因水平转移的过程并不容易——DNA序列在传递的过程中可能通过发生变异掩饰自己的身份,抹去自己转移的痕迹。目前一个研究团队正在研究美国黄石公园中的红藻,发现在这里的温泉中有一些红藻从同区域的细菌中获得了基因,这些基因的差异非常小。如果能够在黄石公园的其他温泉中找到不带有这一基因的藻类,说明基因水平转移的过程很有可能还没开始发生,他们则将有机会捕捉到基因转移的过程。

也许生物的演化并不像达尔文所说的那样缓慢。当生态环境吹起顽皮的风,就会把DNA吹得遍地都是,在生命树的各个树枝之间到处游荡,推动不同树枝的走向。现代科学的演化模型和遗传学的发展会帮助我们去追溯更古老的基因转移现象,也更能让我们了解自己的来源,以及如何与环境更好的共存。

 

参考文献

[1] Nakamura Y, Itoh T, Matsuda H, Gojobori T (2004). Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes. Nature Genetics, 36 (7): 760~766.[2] Mehrabi R, Bahkali AH, Abd-Elsalam KA, Moslem M, Ben M'BarekS, Gohari AM, Jashni MK, Stergiopoulos I, Kema GHJ, de Wit PJGM (2011). Horizontal gene and chromosome transfer in plant pathogenic fungi affecting host range. FEMS Microbiology Reviews, 35 (3): 542~554.[3] Slot JC, Rokas A (2011). Horizontal transfer of a large and highly toxic secondary metabolic gene cluster between fungi. Current Biology, 21 (2): 134~139.[4] Mallet LV, Becq J, Deschavanne P (2010). Whole genome evaluation of horizontal transfers in the pathogenic fungus Aspergillus fumigatus. BMC Genomics, 11: 171.[5] Anderson MT, Seifert HS (2011). Opportunity and means: horizontal gene transfer from the human host to a bacterial pathogen. Mbio, 2 (1): e00005~e00011.[6] Kim G, LeBlanc ML, Wafula EK, dePamphilis CW, Westwood JH (2014). Genomic-scale exchange of mRNA between a parasitic plant and its hosts. Science, 345 (6198): 808.[7] Stegemann S, Keuthe M, Greiner S, Bock R (2012). Horizontal transfer of chloroplast genomes between plant species. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109 (7): 2434~2438.[8] Kambayashi C, Kakehashi R, Sato Y, Mizuno H, Tanabe H, Rakotoarison A, Künzel S, Furuno N, Ohshima K, Kumazawa Y, Nagy ZT, Mori A, Allison A, Donnellan SC, Ota H, Hoso M, Yanagida T, Sato H, Vences M, Kurabayashi A (2022). Geography-Dependent Horizontal Gene Transfer from Vertebrate Predators to Their Prey. Mol Biol Evol. Apr 10;39(4): msac052.[9] Nadeem SF, Gohar UF, Tahir SF, Mukhtar H, Pornpukdeewattana S, Nukthamna P, Moula Ali AM, Bavisetty SCB, Massa S (2020). Antimicrobial resistance: more than 70 years of war between humans and bacteria. Crit Rev Microbiol. Sep;46(5):578-599.[10] Graham LA, Davies PL (2021). Horizontal Gene Transfer in Vertebrates: A Fishy Tale. Trends Genet. Jun;37(6):501-503.[11] Li Y, Liu Z, Liu C, Shi Z, Pang L, Chen C, Chen Y, Pan R, Zhou W, Chen XX, Rokas A, Huang J, Shen XX (2022). HGT is widespread in insects and contributes to male courtship in lepidopterans. Cell.  Aug 4;185(16):2975-2987.e10.[12] Irwin NAT, Pittis AA, Richards TA, Keeling PJ (2022). Systematic evaluation of horizontal gene transfer between eukaryotes and viruses. Nat Microbiol. Feb;7(2):327-336.[13] Cai L, Arnold BJ, Xi Z, Khost DE, Patel N, Hartmann CB, Manickam S, Sasirat S, Nikolov LA, Mathews S, Sackton TB, Davis CC (2020). Deeply Altered Genome Architecture in the Endoparasitic Flowering Plant Sapria himalayana Griff. (Rafflesiaceae). Curr Biol. Mar 8;31(5):1002-1011.e9.

 

出品:科普中国

 

 



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