從青蛙體内發現了蛇的基因，到底是怎麼回事？其實并不奇怪，這就是基因的水準轉移。近年來，研究人員發現了許多基因水準轉移的現象，不僅在細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，我們身體裡的某些基因，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别的生物轉移而來！雖然這樣的基因“轉移”讓人覺得不可思議，但事實上，在生物演化過程中，物種間的基因轉移是一件經常發生的事。在自然界中，這種遺傳物質的傳遞方式叫作基因的水準轉移（Horizontal Gene Transfer, HGT）。
相對于基因的水準轉移，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傳給你，再從你傳遞給你的孩子，子子孫孫無窮匮也。這種遺傳物質伴随着繁殖過程、代代相傳的現象，就是基因的 “豎向傳遞”，也是自然界中最廣泛的遺傳物質傳遞方式。
基因的水準轉移則是指不同于正常的由親代到子代的垂直基因傳遞，而能跨越種間隔離，在親緣關系或遠或近的生物有機體間進行的遺傳資訊轉移。曾經，跨物種的基因水準轉移被認為是僅在微生物之間發生的罕見事件，但得益于測序技術的發展，越來越多的證據表明，這一過程在生命之樹各處一直進行着，近十年來有更多基因水準轉移的現象被證明。而且該現象不僅發生在原核生物（有些原核生物的基因其水準轉移的貢獻高達25%[1]）[2, 3]、甚至在真核生物[4]、以及兩者之間[5]都存在基因水準轉移現象。并且發生基因水準轉移的遺傳物質除了DNA，還有mRNA [6]，甚至是整個細胞器[7]。
近期，研究人員發現一種起源于蛇的基因Bovine-B（BovB）已經多次跳過物種之間的屏障進入世界各地的青蛙，而且這一現象似乎在馬拉加西發生的頻率遠遠高于其他地方。在仔細研究了世界各地的青蛙和蛇類物種的基因組後，科學家們于2022年4月在《分子生物學與進化》（Molecular Biology and Evolution）上發表了一篇論文，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]。但是在馬拉加西，該基因的流轉更是以驚人的頻率發生着：在那裡的青蛙物種中，91%都存在這種基因。馬拉加西似乎有一種特别的動力促進了該基因的流動，科學家認為基因的水準傳遞可能會在某些地方發生得更為頻繁，而生态環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入世界各地的青蛙基因中。圖檔來源：Fahmi Bhs
大自然的轉基因藝術
基因水準轉移在細菌中是很常見的。像細菌這樣的原核生物，其DNA是裸露的，呈大小不同的環狀，較容易發生基因轉移。特别是在複制的過程中，細菌會複制其他物種的基因以适應環境的改變。這就是為什麼細菌容易對抗生素産生耐藥性的一個原因：耐藥基因很容易發生水準傳遞，再加之細菌處在抗生素選擇性壓力下，擁有抗生素抗性基因的細菌将會繁殖，而沒有發生基因突變的細菌将死亡，慢慢的耐藥菌逐漸替代原始菌群成為了主要的菌群。細菌的基因交換非常頻繁，以至于一些科學家甚至提出，細菌形成了一個相關生命的網絡，而不是一個個細菌的分支家譜[9]。
真核生物的細胞則與細菌這樣的原核生物不同，真核生物會用堡壘一樣的細胞核将基因組保護起來。在真核生物的細胞核内DNA會小心翼翼地盤繞起來，當有需要時才會用對應的酶調用出其中的某個基因。但近些年，涉及真核生物的水準基因轉移的例子也不斷被發現。例如，2021年3月發表在《遺傳學進展》（Trends in Genetics）的一篇論文就證明，在北極、北太平洋和北大西洋的冰水中胡瓜魚（Osmerus mordax）從同水域的鲱魚（Clupea harengus）中獲得了基因，該基因使得它的血液不會當機[10]，進而能更好的在寒冷的水中生存。
鲱魚（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。圖檔來源：Four Oaks & Jack Perks
更為奇妙的是，有時候基因的水準傳遞還會跨越不同的物種在動物與植物之間傳遞。在2021年3月的《細胞》（Cell）雜志上，就報道了大陸科學家曆經20年追蹤研究所得的這一驚人發現。他們發現被聯合國糧農組織（FAO）認定的迄今唯一“超級害蟲”煙粉虱（Bemisia tabaci），居然通過基因水準轉移的方式從植物當中獲得了一個新基因，并且利用這個新基因繞開了植物的防禦系統，讓煙粉虱成功寄生在很多植物之上。煙粉虱之是以能在全世界興風作浪，對番茄、黃瓜、豆類、棉花等許多植物造成巨大破壞，背後的原因可能也正是如此[11]。
從以上的研究可以發現，基因水準轉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化。但也不是所有的新轉移來的基因都會在生物體内發揮作用。BovB就是一個例子，它最初發現于奶牛，後來被證明它在很怪異的動物組合之間跳躍，而它并不是一個傳統意義上具有功能的基因——它隻是具有将自己的DNA位點随意複制到其他位置的能力。盡管目前不能排除BovB也可能發揮某些功能使青蛙受益，但更有可能的是，BovB隻是因為其自身在自我複制方面的強大能力，而在不同物種間積極的跳躍維持自己的持續存在。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會。這有助于解釋為什麼當真核生物與其他生物的遺傳物質在一起時，像BovB這樣的跳躍基因總會參與其中。
病毒助力傳播
讀到這裡，你一定會感到好奇，真核生物究竟是如何發生基因水準轉移的。遺憾的是，目前我們對具體水準傳遞的機制還不是很清楚。但畢竟水準轉移真正發生了，一定有什麼因素幫助了基因的轉移。科學家發現，病毒确實是一個可以幫助基因水準轉移的工具。病毒，特别是逆轉錄病毒具有進入宿主細胞甚至進入細胞核的能力，它們能夠将遺傳物質插入宿主的基因組。事實上，我們人類的基因組中，有大約8%的DNA來自病毒，這也是遠古人類被病毒感染後留下的片段。
此外，通過病毒實作的基因水準轉移也是互相的，即不僅宿主會從病毒基因轉移獲得新的基因，病毒也會獲得宿主的基因。2021年12月發表在《自然-微生物學》（Nature Microbiology）上的一篇論文首次闡述了對201種真核生物和108,842種病毒之間的基因水準轉移的全面分析[12]。他們發現了超過6700個基因轉移的證據，其中宿主到病毒的轉移大約是病毒到宿主的轉移的兩倍。是以，研究人員認為基因水準轉移是雙方進化的主要驅動力。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準轉移提供了可能的解釋。在真核生物中，轉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新的宿主物種。然後，它們必須進入宿主物種的細胞核并在基因組中安家。如果想要将轉移的基因傳給後代，則更難以實作，這意味着必須将水準轉移的基因插入宿主物種的生殖細胞内，比如精子或者卵子。而病毒的參與将使這一過程更有可能發生。例如線蟲（Nematode）這樣的體型小的生物，它們的生殖道和生殖細胞與腸道距離很近，在腸道中定居的病毒就很有可能将基因帶入生殖細胞内。而青蛙在繁育時會将卵子和精子釋放到水中，這些細胞能通過周圍環境中的病毒獲得某些新基因。在一些大型生物中，這樣的水準轉移也可能比我們想象的容易。有些病毒專門感染生殖細胞，它們将為基因水準轉移到生殖細胞提供便利。
科學家們認為，我們可以将基因水準轉移看作是一個生物體和與其伴生或寄生的其他生物以及自然生态環境共同作用的結果。水準轉移的基因往往會給宿主生物體提供生存優勢，是以這個現象的發生與生物體所處的特定環境息息相關。但獲得的基因也會随着環境的轉變而改變，當轉移來的基因不再提供有利的生存條件，它們也是會丢失的[13]。
生态環境的影響
為了弄清基因水準傳遞的頻率，科學家擷取了世界各地的青蛙樣本進行DNA測序。他們發現在馬拉加西以外的149個青蛙品種中，有50個品種的青蛙具有BovB基因。而在32種來源于馬拉加西的青蛙中，有29種青蛙攜帶了這種基因。馬拉加西的青蛙獲得基因水準轉移的比例明顯高于世界其他地區。
非洲島國馬拉加西風光，圖中是著名的猴面包樹。圖檔來源：Bernard Gagnon
馬拉加西的環境中有什麼特别的因素使得基因的水準轉移會發生的如此頻繁呢？目前，對于這一問題科學家還沒有準确的答案。論文作者猜測，生活在馬拉加西的蛇所帶有的BovB基因可能與世界其他地方的蛇不同，它們更容易進入新的宿主。另外，馬拉加西島上生活着豐富的寄生蟲，比如這裡有很多以吸食其他動物血液為食的水蛭，它們可能會将包含BovB基因的蛇血液帶入到青蛙體内。或者基因先轉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入到青蛙體内。
蛇BovBs通過寄生蟲的傳播途徑。圖檔來源：參考文獻[8]
此外，他們還發現至少有兩個青蛙品系的BovB基因，是在其祖先從非洲遷移到馬拉加西之後才獲得的。由此看來，基因水準轉移的速度并不是平均的，在不同的地理環境也有很大的差異。科學家認為如果能夠有更多的研究觀察全球範圍内的基因轉移現象，觀察不同地區之間基因轉移的速度，我們可能會驚奇的發現，地理環境的因素對基因水準轉移的影響可能比我們想象的還要重要。
但想要捕捉和證明基因水準轉移的過程并不容易——DNA序列在傳遞的過程中可能通過發生變異掩飾自己的身份，抹去自己轉移的痕迹。目前一個研究團隊正在研究美國黃石公園中的紅藻，發現在這裡的溫泉中有一些紅藻從同區域的細菌中獲得了基因，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，說明基因水準轉移的過程很有可能還沒開始發生，他們則将有機會捕捉到基因轉移的過程。
也許生物的演化并不像達爾文所說的那樣緩慢。當生态環境吹起頑皮的風，就會把DNA吹得遍地都是，在生命樹的各個樹枝之間到處遊蕩，推動不同樹枝的走向。現代科學的演化模型和遺傳學的發展會幫助我們去追溯更古老的基因轉移現象，也更能讓我們了解自己的來源，以及如何與環境更好的共存。
參考文獻
[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
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