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人类有145个外来基因,为何基因可以跨物种转移?
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一种动物的基因组里竟然存在其他物种的基因?这一现象现在被发现普遍存在于自然界,即便是人类也携带145个外来基因。近年来生物学家还发现青蛙体内存在蛇的基因,不同物种“共享”同一个基因享受它带来的功能。这可能是祖先留下的馈赠。最近一个团队发现了一个“刚刚发生”的基因转移事件,为什么两个不同物种可以共享基因,这个基因是如何“跳跃”的呢?新的研究可能会给我们答案。
随着对基因研究的深入,科学家已经发现了许多基因水平转移的例子,无论在动物还是在植物中都有发生。例如生活在极地的两种不同的鱼类鲱鱼和胡瓜鱼,它们“共享”编码完全相同的防冻蛋白——防止它们的血液和组织在极地的水域中冻结[3]。另外,在马达加斯加的热带雨林中,生物学家还惊奇地发现,当地青蛙的基因组中,有一种叫作“BovB”的基因似乎源自于蛇(参见《马达加斯加的“转基因工厂”:青蛙为什么有了蛇的基因?》)[4]。随着基因水平转移的例子越来越多,科学家更加对这一现象背后的机制感到困惑:这些基因是如何在不同的物种之间“跳跃”的?
科学家发现这一现象”纯属偶然”。2021年,该团队的研究生Israel Campo Bes在研究线虫C.briggsae时,偶然发现这种线虫与另一种线虫C.plicata有一个几乎完全相同的基因,它们的相似度惊人,核苷酸相似度接近97%。看起来就像是一只线虫复制了它的基因,并以某种方式将它们粘贴到另一只线虫的基因组中。这一发现之所以惊人是因为C.briggsae和C.plicata是两种存在生殖隔离的物种。它们的基因组之间的巨大差异相当于人类和鱼类的基因组之间的区别。然而它们居然有着一个几乎相同的基因,这清楚地显示出这是近期发生的HGT事件。
这一发现也震惊了实验室的分子遗传学家Alejandro Burga,为了找出这一“共享”基因的起源,Burga和他的团队决定检查这些“共享”基因周围的DNA。最终他们在这个基因的周围发现了重复的序列,这是转座子的特征。转座子是一种能在基因组内移动的遗传因子,能够通过复制自己,将自己的拷贝插入到基因的不同位置。另外,他们还发现了一些病毒基因的残留物:一个能够表达出病毒外壳蛋白质的基因、一个能够促进病毒复制的基因以及一个用于将病毒DNA整合入宿主基因组中的“胶水”基因。这些发现表明被转移的基因镶嵌在一组类似病毒的基因和一个转座子中,而这些基因被认为是Mavericks的一部分。
不仅如此,在另一种线虫中的Mavericks还拥有一个额外的基因,它可表达出一种叫作融合素(fusogen)的蛋白质,它能够将病毒与细胞的膜结构融合,并将病毒基因组转移到细胞中。没有融合素,病毒(特别是包膜病毒)就没有办法转移它的基因。这种蛋白质的存在,强有力地表明 Mavericks 能够生成类似病毒的颗粒,并侵入到不同类型的细胞中。
随后,Burga的团队迅速检索了线虫的基因数据库,很快他们就发现,这不是孤立的基因水平转移,他们找到了很多其他基因嵌入在 Mavericks中的例子。在跨越 10 多个属的 100 多种线虫基因组中,有两个基因经常被 Mavericks当作“货物”收走,并在不同物种之间广泛传递。从北美到印度,再到南非一公里深的金矿中,完整和不完整的遗传因子渗透到了全球不同地区的线虫种群中。
尽管这些间接证据强有力地表明Mavericks促成了线虫物种之间的基因水平转移,但生物学家还没有亲眼目睹它们的行动。因此下一步研究的重点,就是要找到一种方法,让我们能在显微镜下观察到 Mavericks产生类似病毒颗粒的过程,观测到基因“跳跃”的每一帧画面。
类似病毒的转座子Maverick能够作为水平基因转移(HGT)载体。图源:IMBA-IMP Graphics
此外,这一发现也表明Mavericks可以携带某些抗病毒和抗菌的基因,这也提示它可能用于开发新的药物或疫苗,或将其打造成一种基因转移的工具,用于基因治疗和基因编辑等应用。
通过Mavericks或者其他遗传因子进行基因水平转移的现象在自然界还有很多。这些基因的水平转移会影响到物种遗传的多样性和适应性,从而导致新物种的形成或物种的灭绝。为了保护物种多样性,真正理解生物演化规律,我们也需要更多地了解这些能够帮助基因在物种间跳跃的载体。
参考文献
[1]Crisp A, Boschetti C, Perry M, Tunnacliffe A, Micklem G. Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes. Genome Biol. 2015 Mar 13;16(1):50.[2]Nakamura Y, Itoh T, Matsuda H, Gojobori T. Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes. Nat Genet. 2004 Jul;36(7):760-6.[3]Graham LA, Davies PL. Horizontal Gene Transfer in Vertebrates: A Fishy Tale. Trends Genet. 2021 Jun;37(6):501-503.[4]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. Geography-Dependent Horizontal Gene Transfer from Vertebrate Predators to Their Prey. Mol Biol Evol. 2022 Apr 10;39(4):msac052.[5]Widen SA, Bes IC, Koreshova A, Pliota P, Krogull D, Burga A. Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities. Science. 2023 Jun 30;380(6652):eade0705.[6]Barreat JGN, Katzourakis A. Phylogenomics of the Maverick Virus-Like Mobile Genetic Elements of Vertebrates. Mol Biol Evol. 2021 May 4;38(5):1731-1743.本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品:中国科协科普部
监制:中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司
注:封面图为版权图片,转载时使用可能引发版权纠纷。
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