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科学家发现跨物种的基因传递现象,重塑我们对生物演化的认识

SF中文 2023/8/12 18:08:03 责编:梦泽
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本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

生物学家发现,一些具有病毒特征的遗传因子,可能是引发基因在不同物种之间传递的原因。

文 | 陈强

生物学家在一个多世纪以来,就已经大致搞清楚了遗传规律:基因是在同一物种内由父母传递给子女的。但是在近些年来,生物学家也意识到有些基因会违背这种规律,能横跨不同物种进行传递。

基因可以跨越物种传递?

例如,鲱鱼和胡瓜鱼是生活在寒带水域中两种不同类别的鱼,但它们都拥有几乎一模一样的抗冻基因,能够表达出防止血液冻结的蛋白质。生物学家推测,这种基因很可能是从鲱鱼传递到胡瓜鱼中的。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,一种叫作“BovB”的基因似乎源自于蛇。

上面这些现象叫作基因水平转移(horizontal gene transfer)。生物学家一直搞不清楚其背后的机制是什么,尽管他们怀疑病毒在其中扮演了一定的角色。

最近,在《科学》(Science)上发表的一篇最新论文中,奥地利科学院的生物学家表示,他们发现了一类可转移的遗传因子,它们能携带某些基因,并在多个不同种类线虫之间转移。

从一种线虫转移到另一种线虫可能听起来没什么了不起,但是这些线虫已经分化了数亿年,它们之间的差别相当于鱼类和人类的差异。

这些遗传因子被称为“Maverick”,它们在各种动物中都被检测到,包括无脊椎动物和脊椎动物,它们具有许多病毒基因才具有的特征。考虑到这些性质,生物学家怀疑 Maverick 以及类似的遗传因子,可能在生命演化中促成了基因水平转移。

来自线虫的新发现

这项新的发现,源于对线虫基因组中一种独特的遗传因子的研究。这种遗传因子特别自私,它甚至会杀死不携带它的后代。它包含了两个基因,一个可表达出有毒的蛋白质,一个可表达出能够中和这种蛋白质的解毒剂。

一只携带该遗传因子的线虫,产生的卵子或精子会沉积毒素。只有在受精卵中,遗传因子才能正常表达解毒剂。这样,如果这只线虫与不携带该遗传因子的个体交配时,只有至少继承了其中一个遗传因子拷贝的后代,才能表达出解毒剂,从而存活下来。这就好像遗传因子借助这种“毒素-解毒剂”组合,劫持了线虫的基因组,以确保其传播。

2021 年,奥地利科学院的生物学家发现,一种线虫中的毒素基因看起来几乎和另一种线虫中的一个不同功能的基因一模一样,核苷酸相似度几乎达到了 97%。就好像这个基因从一种线虫中被复制了下来,然后以某种方式粘贴到了另一种线虫的基因组中。

类似病毒的遗传因子

为了揭示问题的来源,生物学家决定检查周围的 DNA。他们在基因两侧的 DNA 中发现了重复的序列,这很像转座子(transposon)的一部分。转座子是一种能在一个基因组内移动的遗传因子,能通过复制自己,将自己的拷贝插入到基因组的不同位置。

该团队还在两侧发现了几个病毒基因的残留物:一个能够表达出病毒外壳蛋白质的基因,一个通常能够促进病毒复制的基因,以及一个用于将病毒 DNA 整合到宿主基因组中的“胶水”基因。

这些发现表明,被转移的基因嵌入在一组类似病毒的基因和一个转座子中,这些一起构成了一种可在不同物种之间传递的遗传因子。它就是 Maverick。

另外,其中一种线虫中的 Maverick 还有一个额外的基因,它可以表达出一种叫做融合素(fusogen)的蛋白质,它使病毒能够与细胞融合,并将其基因组转移到细胞中。没有融合素,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 Maverick 能够生成类似病毒的颗粒,并侵入到不同类型的细胞中。

生物学家很快在线虫基因组中,寻找到了很多其他基因嵌入在 Maverick 中的例子。显而易见的是,他们发现的不是基因水平转移的孤立案例。在跨越 10 多个属的 100 多个线虫基因组中,有两个基因经常被 Maverick 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。

尽管间接证据强有力地表明,Maverick 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。生物学家下一步研究的重点,就是要找到一种方法,能在显微镜下观察到 Maverick 产生类似病毒颗粒的过程。

重塑我们对生物演化的认识

Maverick 是一类古老而碎片化的遗传因子,在原生生物、真菌和动物(包括人类)的基因组中普遍存在。这些大型的可转移的遗传因子,最初被认为是无效的、突变的过时基因的残余。但后来的研究发现,Maverick 可以被重新激活,并且它们可以促成一些原生生物物种之间的基因水平转移。在多细胞生物中,完整、完好的 Maverick 之前从未被详细研究过。因此,线虫提供了一个研究它们的难得机会。

这项工作有着一个潜在的实际应用。许多线虫物种是寄生虫,会感染农作物和牲畜。如果研究人员了解 Maverick 是如何工作的,也许就可以利用它把特定致病基因引入寄生虫,以此来防控寄生虫。

此外,Maverick 可以携带一些具有抗病毒或抗菌活性的基因,这些基因可能可以用于开发新的药物或疫苗。Maverick 也可以作为一种基因转移的工具,用于基因治疗或基因编辑等应用。

研究人员还意识到到,借助 Maverick 以及其他遗传因子进行基因水平转移的现象,在自然界中可能比我们想象的更为广泛。一些基因水平转移,可能会影响物种的遗传多样性和适应性,甚至导致新物种的形成或一些物种的灭绝。所以说,要真正理解生物的演化进程,我们还必须了解这些可以在物种之间转移的“独行者”。

参考文献:

  • https://doi.org/10.1126/science.ade0705

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关键词:基因遗传

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