從青蛙體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了蛇的基因，到底是怎么回事？其實(shí)并不奇怪，這就是基因的水平轉(zhuǎn)移。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)了許多基因水平轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，不僅在細(xì)菌這樣的原核生物身上，也在真核生物，甚至是植物和昆蟲之間，都有基因的跳躍。這或許就是生存的智慧。

撰文 | 顧舒晨

“共享XX”你或許見得多了，但你聽說過“共享基因”嗎？其實(shí)，我們身體里的某些基因，可能與蜥蜴、青蛙、螃蟹，乃至海膽這些物種相似，甚至有些生物中的基因就是從別的生物轉(zhuǎn)移而來！雖然這樣的基因“轉(zhuǎn)移”讓人覺得不可思議，但事實(shí)上，在生物演化過程中，物種間的基因轉(zhuǎn)移是一件經(jīng)常發(fā)生的事。在自然界中，這種遺傳物質(zhì)的傳遞方式叫作基因的水平轉(zhuǎn)移（Horizontal Gene Transfer, HGT）。

相對(duì)于基因的水平轉(zhuǎn)移，我們更為熟知的是另一種基因的傳遞方式：豎向傳遞（Vertical Gene Transfer, VGT）。父母把他們的遺傳物質(zhì)傳給你，再?gòu)哪銈鬟f給你的孩子，子子孫孫無窮匱也。這種遺傳物質(zhì)伴隨著繁殖過程、代代相傳的現(xiàn)象，就是基因的 “豎向傳遞”，也是自然界中最廣泛的遺傳物質(zhì)傳遞方式。

基因的水平轉(zhuǎn)移則是指不同于常規(guī)的由親代到子代的垂直基因傳遞，而能跨越種間隔離，在親緣關(guān)系或遠(yuǎn)或近的生物有機(jī)體間進(jìn)行的遺傳信息轉(zhuǎn)移。曾經(jīng)，跨物種的基因水平轉(zhuǎn)移被認(rèn)為是僅在微生物之間發(fā)生的罕見事件，但得益于測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，越來越多的證據(jù)表明，這一過程在生命之樹各處一直進(jìn)行著，近十年來有更多基因水平轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象被證實(shí)。而且該現(xiàn)象不僅發(fā)生在原核生物（有些原核生物的基因其水平轉(zhuǎn)移的貢獻(xiàn)高達(dá)25%[1]）[2, 3]、甚至在真核生物[4]、以及兩者之間[5]都存在基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。并且發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移的遺傳物質(zhì)除了DNA，還有mRNA [6]，甚至是整個(gè)細(xì)胞器[7]。

近期，研究人員發(fā)現(xiàn)一種起源于蛇的基因Bovine-B（BovB）已經(jīng)多次跳過物種之間的屏障進(jìn)入世界各地的青蛙，而且這一現(xiàn)象似乎在馬達(dá)加斯加發(fā)生的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他地方。在仔細(xì)研究了世界各地的青蛙和蛇類物種的基因組后，科學(xué)家們于2022年4月在《分子生物學(xué)與進(jìn)化》（Molecular Biology and Evolution）上發(fā)表了一篇論文，稱這種基因以某種方式從蛇到青蛙，在地球上至少傳播了50次[8]。但是在馬達(dá)加斯加，該基因的流轉(zhuǎn)更是以驚人的頻率發(fā)生著：在那里的青蛙物種中，91%都存在這種基因。馬達(dá)加斯加似乎有一種特別的動(dòng)力促進(jìn)了該基因的流動(dòng)，科學(xué)家認(rèn)為基因的水平傳遞可能會(huì)在某些地方發(fā)生得更為頻繁，而生態(tài)環(huán)境很可能在這其中起了重要的作用。

起源于蛇的基因已多次跨越物種進(jìn)入世界各地的青蛙基因中。圖片來源：Fahmi Bhs

大自然的轉(zhuǎn)基因藝術(shù)

基因水平轉(zhuǎn)移在細(xì)菌中是很常見的。像細(xì)菌這樣的原核生物，其DNA是裸露的，呈大小不同的環(huán)狀，較容易發(fā)生基因轉(zhuǎn)移。特別是在復(fù)制的過程中，細(xì)菌會(huì)復(fù)制其他物種的基因以適應(yīng)環(huán)境的改變。這就是為什么細(xì)菌容易對(duì)抗生素產(chǎn)生耐藥性的一個(gè)原因：耐藥基因很容易發(fā)生水平傳遞，再加之細(xì)菌處在抗生素選擇性壓力下，擁有抗生素抗性基因的細(xì)菌將會(huì)繁殖，而沒有發(fā)生基因突變的細(xì)菌將死亡，慢慢的耐藥菌逐漸替代原始菌群成為了主要的菌群。細(xì)菌的基因交換非常頻繁，以至于一些科學(xué)家甚至提出，細(xì)菌形成了一個(gè)相關(guān)生命的網(wǎng)絡(luò)，而不是一個(gè)個(gè)細(xì)菌的分支家譜[9]。

真核生物的細(xì)胞則與細(xì)菌這樣的原核生物不同，真核生物會(huì)用堡壘一樣的細(xì)胞核將基因組保護(hù)起來。在真核生物的細(xì)胞核內(nèi)DNA會(huì)小心翼翼地盤繞起來，當(dāng)有需要時(shí)才會(huì)用對(duì)應(yīng)的酶調(diào)用出其中的某個(gè)基因。但近些年，涉及真核生物的水平基因轉(zhuǎn)移的例子也不斷被發(fā)現(xiàn)。例如，2021年3月發(fā)表在《遺傳學(xué)進(jìn)展》（Trends in Genetics）的一篇論文就證實(shí)，在北極、北太平洋和北大西洋的冰水中胡瓜魚（Osmerus mordax）從同水域的鯡魚（Clupea harengus）中獲得了基因，該基因使得它的血液不會(huì)凍結(jié)[10]，從而能更好的在寒冷的水中生存。

鯡魚（上）和胡瓜魚（下）都是冷水魚，它們攜帶相同的基因使其可以在冷水中生存。圖片來源：Four Oaks & Jack Perks

更為奇妙的是，有時(shí)候基因的水平傳遞還會(huì)跨越不同的物種在動(dòng)物與植物之間傳遞。在2021年3月的《細(xì)胞》（Cell）雜志上，就報(bào)道了我國(guó)科學(xué)家歷經(jīng)20年追蹤研究所得的這一驚人發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）認(rèn)定的迄今唯一“超級(jí)害蟲”煙粉虱（Bemisia tabaci），居然通過基因水平轉(zhuǎn)移的方式從植物當(dāng)中獲得了一個(gè)新基因，并且利用這個(gè)新基因繞開了植物的防御系統(tǒng)，讓煙粉虱成功寄生在很多植物之上。煙粉虱之所以能在全世界興風(fēng)作浪，對(duì)番茄、黃瓜、豆類、棉花等許多植物造成巨大破壞，背后的原因可能也正是如此[11]。

從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，基因水平轉(zhuǎn)移能幫助不同物種跳過由突變或重組而獲得新基因的緩慢過程，加速基因組的革新和進(jìn)化。但也不是所有的新轉(zhuǎn)移來的基因都會(huì)在生物體內(nèi)發(fā)揮作用。BovB就是一個(gè)例子，它最初發(fā)現(xiàn)于奶牛，后來被證實(shí)它在很怪異的動(dòng)物組合之間跳躍，而它并不是一個(gè)傳統(tǒng)意義上具有功能的基因——它只是具有將自己的DNA位點(diǎn)隨意復(fù)制到其他位置的能力。盡管目前不能排除BovB也可能發(fā)揮某些功能使青蛙受益，但更有可能的是，BovB只是因?yàn)槠渥陨碓谧晕覐?fù)制方面的強(qiáng)大能力，而在不同物種間積極的跳躍維持自己的持續(xù)存在。就像《自私的基因》一書中所描繪的那樣，BovB基因所做的一切都是為了最大化給自己生存的機(jī)會(huì)。這有助于解釋為什么當(dāng)真核生物與其他生物的遺傳物質(zhì)在一起時(shí)，像BovB這樣的跳躍基因總會(huì)參與其中。

病毒助力傳播

讀到這里，你一定會(huì)感到好奇，真核生物究竟是如何發(fā)生基因水平轉(zhuǎn)移的。遺憾的是，目前我們對(duì)具體水平傳遞的機(jī)制還不是很清楚。但畢竟水平轉(zhuǎn)移真正發(fā)生了，一定有什么因素幫助了基因的轉(zhuǎn)移?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，病毒確實(shí)是一個(gè)可以幫助基因水平轉(zhuǎn)移的工具。病毒，特別是逆轉(zhuǎn)錄病毒具有進(jìn)入宿主細(xì)胞甚至進(jìn)入細(xì)胞核的能力，它們能夠?qū)⑦z傳物質(zhì)插入宿主的基因組。事實(shí)上，我們?nèi)祟惖幕蚪M中，有大約8%的DNA來自病毒，這也是遠(yuǎn)古人類被病毒感染后留下的片段。

此外，通過病毒實(shí)現(xiàn)的基因水平轉(zhuǎn)移也是相互的，即不僅宿主會(huì)從病毒基因轉(zhuǎn)移獲得新的基因，病毒也會(huì)獲得宿主的基因。2021年12月發(fā)表在《自然-微生物學(xué)》（Nature Microbiology）上的一篇論文首次闡述了對(duì)201種真核生物和108,842種病毒之間的基因水平轉(zhuǎn)移的全面分析[12]。他們發(fā)現(xiàn)了超過6700個(gè)基因轉(zhuǎn)移的證據(jù)，其中宿主到病毒的轉(zhuǎn)移大約是病毒到宿主的轉(zhuǎn)移的兩倍。因此，研究人員認(rèn)為基因水平轉(zhuǎn)移是雙方進(jìn)化的主要驅(qū)動(dòng)力。病毒通過獲得的真核生物基因更有效地感染它們的宿主，而真核生物則會(huì)利用病毒基因獲得新的特性。

病毒的參與也為真核生物間的基因水平轉(zhuǎn)移提供了可能的解釋。在真核生物中，轉(zhuǎn)移的基因需要通過一系列的障礙。首先，它們必須從供體物種到達(dá)新的宿主物種。然后，它們必須進(jìn)入宿主物種的細(xì)胞核并在基因組中安家。如果想要將轉(zhuǎn)移的基因傳給后代，則更難以實(shí)現(xiàn)，這意味著必須將水平轉(zhuǎn)移的基因插入宿主物種的生殖細(xì)胞內(nèi)，比如精子或者卵子。而病毒的參與將使這一過程更有可能發(fā)生。例如線蟲（Nematode）這樣的體型小的生物，它們的生殖道和生殖細(xì)胞與腸道距離很近，在腸道中定居的病毒就很有可能將基因帶入生殖細(xì)胞內(nèi)。而青蛙在繁育時(shí)會(huì)將卵子和精子釋放到水中，這些細(xì)胞能通過周圍環(huán)境中的病毒獲得某些新基因。在一些大型生物中，這樣的水平轉(zhuǎn)移也可能比我們想象的容易。有些病毒專門感染生殖細(xì)胞，它們將為基因水平轉(zhuǎn)移到生殖細(xì)胞提供便利。

科學(xué)家們認(rèn)為，我們可以將基因水平轉(zhuǎn)移看作是一個(gè)生物體和與其伴生或寄生的其他生物以及自然生態(tài)環(huán)境共同作用的結(jié)果。水平轉(zhuǎn)移的基因往往會(huì)給宿主生物體提供生存優(yōu)勢(shì)，所以這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)生與生物體所處的特定環(huán)境息息相關(guān)。但獲得的基因也會(huì)隨著環(huán)境的轉(zhuǎn)變而改變，當(dāng)轉(zhuǎn)移來的基因不再提供有利的生存條件，它們也是會(huì)丟失的[13]。

生態(tài)環(huán)境的影響

為了弄清基因水平傳遞的頻率，科學(xué)家獲取了世界各地的青蛙樣本進(jìn)行DNA測(cè)序。他們發(fā)現(xiàn)在馬達(dá)加斯加以外的149個(gè)青蛙品種中，有50個(gè)品種的青蛙具有BovB基因。而在32種來源于馬達(dá)加斯加的青蛙中，有29種青蛙攜帶了這種基因。馬達(dá)加斯加的青蛙獲得基因水平轉(zhuǎn)移的比例明顯高于世界其他地區(qū)。

非洲島國(guó)馬達(dá)加斯加風(fēng)光，圖中是著名的猴面包樹。圖片來源：Bernard Gagnon

馬達(dá)加斯加的環(huán)境中有什么特別的因素使得基因的水平轉(zhuǎn)移會(huì)發(fā)生的如此頻繁呢？目前，對(duì)于這一問題科學(xué)家還沒有準(zhǔn)確的答案。論文作者猜測(cè)，生活在馬達(dá)加斯加的蛇所帶有的BovB基因可能與世界其他地方的蛇不同，它們更容易進(jìn)入新的宿主。另外，馬達(dá)加斯加島上生活著豐富的寄生蟲，比如這里有很多以吸食其他動(dòng)物血液為食的水蛭，它們可能會(huì)將包含BovB基因的蛇血液帶入到青蛙體內(nèi)?；蛘呋蛳绒D(zhuǎn)移至水蛭的基因組中，再通過病毒或其他微生物的幫助下進(jìn)入到青蛙體內(nèi)。

蛇BovBs通過寄生蟲的傳播途徑。圖片來源：參考文獻(xiàn)[8]

此外，他們還發(fā)現(xiàn)至少有兩個(gè)青蛙品系的BovB基因，是在其祖先從非洲遷移到馬達(dá)加斯加之后才獲得的。由此看來，基因水平轉(zhuǎn)移的速度并不是平均的，在不同的地理環(huán)境也有很大的差異。科學(xué)家認(rèn)為如果能夠有更多的研究觀察全球范圍內(nèi)的基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，觀察不同地區(qū)之間基因轉(zhuǎn)移的速度，我們可能會(huì)驚奇的發(fā)現(xiàn)，地理環(huán)境的因素對(duì)基因水平轉(zhuǎn)移的影響可能比我們想象的還要重要。

但想要捕捉和證實(shí)基因水平轉(zhuǎn)移的過程并不容易——DNA序列在傳遞的過程中可能通過發(fā)生變異掩飾自己的身份，抹去自己轉(zhuǎn)移的痕跡。目前一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)正在研究美國(guó)黃石公園中的紅藻，發(fā)現(xiàn)在這里的溫泉中有一些紅藻從同區(qū)域的細(xì)菌中獲得了基因，這些基因的差異非常小。如果能夠在黃石公園的其他溫泉中找到不帶有這一基因的藻類，說明基因水平轉(zhuǎn)移的過程很有可能還沒開始發(fā)生，他們則將有機(jī)會(huì)捕捉到基因轉(zhuǎn)移的過程。

也許生物的演化并不像達(dá)爾文所說的那樣緩慢。當(dāng)生態(tài)環(huán)境吹起頑皮的風(fēng)，就會(huì)把DNA吹得遍地都是，在生命樹的各個(gè)樹枝之間到處游蕩，推動(dòng)不同樹枝的走向?，F(xiàn)代科學(xué)的演化模型和遺傳學(xué)的發(fā)展會(huì)幫助我們?nèi)プ匪莞爬系幕蜣D(zhuǎn)移現(xiàn)象，也更能讓我們了解自己的來源，以及如何與環(huán)境更好的共存。

參考文獻(xiàn)

[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：科普中國(guó)

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