青蛙为什么有了蛇的基因?-每日讯息
“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。
(资料图片)
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地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。
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.
标签: 分子生物学
相关推荐:
最新新闻:
- 出厂即6GHz i9-13900KS上架了 价格很贵
- 天天要闻:4款N卡停产 以后新卡只能买30系和40系了
- 环球动态:NUC玩跨界!英特尔公版NUC X15游戏本预售5999元
- 冠脉支架集采提价超25%,医药行业预期改变了吗?| 见智研究-全球焦点
- 《孤岛惊魂6》开启免费体验12月6日推出异界DLC
- 沉寂十年之后,大宗商品对冲基金强势归来
- 全球新消息丨类银河恶魔城射击游戏《魔骑少女》现已正式上市
- 动态焦点:华硕ROG幻16 2023款曝光 或将搭载13代酷睿和RTX 40显卡
- 损失严重!苹果iPhone产量极具下滑:预计减少5%至10%:环球快看点
- 每日热门:威尔士0-3不敌英格兰!英格兰队世界杯总进球数破百
- 补贴十三年,肥了谁?废了谁?|焦点精选
- 今日播报!高性价比推荐!一线大牌15.6英寸轻薄本3499元秒
- 特斯拉开始从它降价!每千瓦时降约0.35元
- 199元!网易UU加速盒2发布:支持所有游戏主机、VR
- SE公布《浪漫沙加:吟游诗人之歌》8名主角介绍预告:每日速读
- 《街头霸王6》日本相扑E·本田场景音乐欣赏-短讯
- 焦点资讯:任天堂公布《超级马里奥兄弟大电影》第二部预告
- 开发商表示《火星孤征》比《飞向月球》长得多
- 12月PS+会免游戏阵容爆料:《质量效应传奇版》等_观速讯
- 《重生边缘》国际版增加主机版 PC公测12/9-1/15进行:动态
- 天天百事通!《战神:诸神黄昏》幕后系列第七集 展示游戏电影如何构建
- 《最终幻想7:核心危机 再融合》发行预告片公布 全球快资讯
- 时讯:生活模拟游戏《花园小径》将于2023年春季推出
- 精选!世界杯“大嫂团” 内马尔的巴西模特女友热情火辣
- 快讯:影驰全家桶:冬日装机,纯白平价优选,颜值实力兼具
- 每日观察!AMD锐龙7000 3D版未发布即被封神,明年必买
- RGB控制一键超频 耕升GW-SOUL软件详解
- 谷歌手机广告造假 连带广告公司被FCC起诉
- 保护用户不力!Meta欧洲被罚2.65亿欧元_当前要闻
- 《如龙维新极》冈田以藏介绍:沉默寡言的危险剑客
- 天天快资讯:法拉利首款SUV停止接单!已经供不应求了
- 《传送门RTX》12月8日发售 DLSS 3特性展示_天天快看
- 一边办世界杯,一边狂“卖气”!卡塔尔与德国达成一份15年天然气供应协议
- 当前视讯!韩国罢工潮愈演愈烈!与工会谈崩后,政府下达强制开工令
- 出险房企等来了红包_全球快看点
- 【独家】传闻:《使命召唤》以幽灵为主角的内容正在开发
- 快播:苹果AirPods Pro 2耳机-500 只要1399
- 天天通讯!小米12 Pro降到2599 小米12s Ultra也只要4999
- 上财校长称40万博士生月收入仅3000元 建议提高博士生的收入_微动态
- C919大型客机获颁生产许可证_天天速读
- 世界快看点丨第二春?《大镖客2》Steam在线人数超6.6万创下新高
- 天文学家痛斥:美国一卫星比天上99.8%的星星都亮
- 《木卫四协议》前期2个小时视频被泄露
- 世界焦点!《亚当斯一家》真人剧《星期三》豆瓣开分8.1
- 每日热文:《FF7核心RE》新预告:预购开启、12月13日正式推出
- 《瞬息全宇宙》获哥谭奖“最佳影片”
- 角逐元宇宙,索尼也来了!推出360美元可穿戴VR设备 焦点简讯
- 每日讯息!如何在卡牌游戏里体验“满清十大酷刑”?
- 微软收购动视暴雪获得沙特、巴西和塞尔维亚的批准|快报
- 布兰妮在社交媒体疯狂输出 粉丝:她的眼神让人毛骨悚然
- 掌控4610亿美元资产,卡塔尔太后有多牛?:全球观点
- 焦点要闻:买飞机、建机场、收并购,中国物流如何“抄作业”?
- 得罪女性还能挣钱,婚恋博主的另类生意
- 大学生打电竞比赛聊考研 网友:学习好 游戏也打得好
- 今日讯!世界航空界首次:劳斯莱斯成功测试氢动力喷气发动机
- 小米首款台式机来了!小米迷你主机与小米13同步发布
- 火山引擎智能外呼上线抖店,双十一助力商家提升营销转化:全球报资讯
- 天天观天下!小米13跑《原神》30分钟测试:跑满帧 43度不发烫
- 网友曝小米13真机渲染图 你感觉如何?:世界新动态
- 特斯拉Model 3新款将开售:降到20万以内
- 【世界速看料】小米无线鼠标减价 史低价30元
- 发生了什么?上证50暴涨4%,离岸人民币狂拉800点,恒生科技飙升逾7%,债市延续大跌_最新资讯
- 高盛:对冲基金正在大规模做空能源股 环球微动态
- 印度首枚私人太空火箭发射升空,只有6米长、半吨重
- 《怪物猎人崛起:曙光》分享设计草图原画 凶恶怨虎龙霸气外露:环球热门
- LOL心之钢即将迎来削弱:伤害加成从10%下调至5%
- 加密货币贷款公司BlockFi 申请破产保护-当前速看
- 全球今头条!支付宝上线生僻字键盘 可方便6000万人
- 传《真人快打》正统续作或将于TGA公布 30周年纪念作品
- 全球速讯:多人跑团调查冒险游戏《志怪者》测试即将开启
- 拼多多三季度净赚百亿:我们以消费者为中心 规则简单 盈利不是优先目标
- 十六年来首次!日本央行国债持仓罕见亏损63亿美元
- 拼多多支棱起来了?-环球新要闻
- 《三体》动画发布希恩斯海报 他是第三位面壁者:环球新消息
- 《英雄联盟电竞经理》斩获苹果2022年App Store大奖年度中国游戏-滚动