為了在北冰洋和南極洲附近的寒冷海水中生存，海洋生物演化出了許多抵御致命低溫的方法。一種常見的適應(yīng)手段是產(chǎn)生抗凍蛋白（AFPs），用來(lái)阻止冰晶在血液、組織和細(xì)胞中生長(zhǎng)。事實(shí)上，許多生物都獨(dú)立演化出了這種適應(yīng)性，抗凍蛋白不僅存在于魚類中，也存在于植物、真菌和細(xì)菌中。
圖 1：胡瓜魚能在寒冷的環(huán)境中生存是因?yàn)樗鼈兊目估淠芰χ泻幸环N抗凍蛋白質(zhì)。新的研究表明，表達(dá)這種蛋白質(zhì)的基因可能是從另一種冷水魚 —— 大西洋鯡魚 —— 那里直接轉(zhuǎn)移給了胡瓜魚
因此，鯡魚和胡瓜魚這兩種魚類都能產(chǎn)生抗凍蛋白也就不足為奇了，它們通常就在大西洋和太平洋的最北部游弋。然而，令人驚奇的是，這兩種魚具有相同的抗凍蛋白基因，要知道它們的祖先早在 2.5 億年前就分道揚(yáng)鑣了，而與它們關(guān)系密切的所有魚類都沒有這種基因。
研究人員對(duì)此給出了一個(gè)非正統(tǒng)的解釋：這個(gè)來(lái)自鯡魚的基因通過水平轉(zhuǎn)移直接成為了胡瓜魚基因組的一部分。這種轉(zhuǎn)移并不是通過雜交實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)轹E魚和胡瓜魚之間不能雜交，很多失敗的嘗試都證明了這一點(diǎn)。換句話說，鯡魚的基因并非通過正常的性通道進(jìn)入胡瓜魚的基因組。
這個(gè)很大膽的觀點(diǎn)可以理解為：某個(gè)基因可以從一條魚直接轉(zhuǎn)移到另一條魚身上。在以往的認(rèn)識(shí)中，水平基因轉(zhuǎn)移（又稱側(cè)向基因轉(zhuǎn)移）不會(huì)發(fā)生在任何動(dòng)物身上，更不用說脊椎動(dòng)物了。但是，隨著科學(xué)家對(duì)胡瓜魚研究得越多，證據(jù)開始越來(lái)越清晰。
事實(shí)上，這樣的現(xiàn)象并不罕見。近年來(lái)，對(duì)許多動(dòng)物 —— 包括魚類、爬行動(dòng)物、鳥類和哺乳動(dòng)物 —— 的研究都得出了類似的結(jié)論：曾被認(rèn)為是微生物獨(dú)有的 DNA 橫向遺傳現(xiàn)象，也會(huì)出現(xiàn)在生命演化樹的各個(gè)分支上。
這些基因水平轉(zhuǎn)移的例子“相當(dāng)令人驚奇”，因?yàn)殚L(zhǎng)期以來(lái)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，這種情況在真核生物中不太可能，或者說不可能發(fā)生。然而，胡瓜魚基因組和其他發(fā)現(xiàn)都表明，基因的水平轉(zhuǎn)移在生物演化中發(fā)揮了重要作用。
觀點(diǎn)的交鋒
早在 21 世紀(jì)初，科學(xué)家研究抗凍蛋白時(shí)就十分驚訝地發(fā)現(xiàn)，胡瓜魚的抗凍蛋白基因與鯡魚的一個(gè)抗凍基因驚人地相似，二者的內(nèi)含子有超過 95% 是相同的。內(nèi)含子是 DNA 中非編碼的片段，通常比編碼區(qū)突變得更快，能得出的唯一結(jié)論是，這個(gè)基因發(fā)生了水平轉(zhuǎn)移。
然而，當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)試圖發(fā)表這一發(fā)現(xiàn)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)自己面臨著巨大的阻力。2001 年，在描述人類基因組新近測(cè)序結(jié)果的一系列重要論文中，有一篇論文根據(jù)人類基因組與一些動(dòng)物基因組的比較，提出了細(xì)菌基因可以進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移的驚人主張。這些說法很快被另一項(xiàng)研究推翻。該研究指出，細(xì)菌與人類之間的物種譜系曾經(jīng)擁有這些基因，但后來(lái)又失去了它們。
即使在抗凍蛋白這篇論文最終于 2008 年由《公共科學(xué)圖書館?綜合》（PLOS ONE）發(fā)表之后，其結(jié)論仍受到質(zhì)疑。大約有一半研究領(lǐng)域的人說，‘哦！這真的很酷！’而另一半人會(huì)說，‘不，我們不相信你’?！?/p>
對(duì)這些發(fā)現(xiàn)的質(zhì)疑是可以理解的，因?yàn)閷?duì)真核生物而言，其基因水平轉(zhuǎn)移似乎有著不可逾越的障礙。細(xì)菌中基因水平轉(zhuǎn)移很常見，而且很容易做到，因?yàn)榧?xì)菌的 DNA 就在它們的細(xì)胞質(zhì)中。如果一個(gè) DNA 片段能夠通過細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，那就沒有什么能阻止它整合到基因組中。但對(duì)于真核生物，其基因組都被封閉在第二道屏障，即細(xì)胞核中。大多數(shù)情況下，它們的 DNA 緊密地凝聚在染色體中，限制了其他基因剪接進(jìn)入基因組的機(jī)會(huì)。此外，為了在真核生物物種中實(shí)現(xiàn)基因的水平轉(zhuǎn)移，它就不能只簡(jiǎn)單地整合進(jìn)任意細(xì)胞的 DNA，而是需要進(jìn)入生殖細(xì)胞，最終傳遞給后代，并在種群中持續(xù)存在。在許多科學(xué)家看來(lái)，這一連串的事件似乎極不可能發(fā)生。
圖 2：加拿大女王大學(xué)的分子生物學(xué)家勞里?格雷厄姆花了將近 20 年的時(shí)間才說服懷疑論者，在胡瓜魚中發(fā)現(xiàn)的抗凍蛋白（AFP）基因來(lái)自鯡魚。
研究人員并沒有被這些難題嚇倒，而是進(jìn)行了更深入的研究。通過在細(xì)菌中克隆胡瓜魚的部分基因組，他們確定了這種魚只有 1 個(gè) AFP 基因。然后，他們用已公布的基因組序列觀察其他魚類的相應(yīng)基因組區(qū)域，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何 AFP 基因的痕跡，盡管在胡瓜魚的 AFP 基因兩側(cè)就有與其他魚類相同的基因序列。這表明該基因是插進(jìn)來(lái)的，它是胡瓜魚基因組中的新成員。
最終，在 2019 年，鯡魚基因組的完整序列公布。這讓研究小組能更好地檢查 AFP 基因周圍的序列，其中一些似乎是轉(zhuǎn)座子（TEs），即可以在基因組中自我復(fù)制并粘貼的 DNA 序列。鯡魚的基因組中有很多這類轉(zhuǎn)座子的拷貝，但它們并不存在于其他魚類中 —— 只有一個(gè)例外。在美洲胡瓜魚的 AFP 基因兩側(cè)，就有 3 個(gè)這樣的轉(zhuǎn)座子，其順序與鯡魚的 AFP 基因相同。
這些序列可能正是鯡魚的一小塊染色體進(jìn)入胡瓜魚染色體的“決定性證據(jù)”。從數(shù)據(jù)上看，這一結(jié)論似乎是毫無(wú)疑問的。不過，真正讓人感興趣的是，這一發(fā)現(xiàn)非常好地契合了他與其他研究者正在進(jìn)行的工作，包括對(duì)轉(zhuǎn)座子的研究，以及新基因如何產(chǎn)生的問題。
例如，在 2008 年發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上的一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的轉(zhuǎn)座子，存在于一系列截然不同的脊椎動(dòng)物中，包括幾種哺乳動(dòng)物，一種爬行動(dòng)物和一種兩棲動(dòng)物。在這些物種中，這種轉(zhuǎn)座子的相似性超過了 96%，但奇怪的是，在檢測(cè)的其他基因組中卻沒有這些序列。這些轉(zhuǎn)座子似乎是突然憑空出現(xiàn)的，因此它們被命名為“空間入侵者”（Space Invader，SPIN）轉(zhuǎn)座子，并認(rèn)為它們肯定在不同的物種譜系之間進(jìn)行了水平轉(zhuǎn)移。這些轉(zhuǎn)座子在新宿主的基因組中也不僅僅是遺傳噪音，例如，在一項(xiàng)研究中，小鼠通過吸收一個(gè) SPIN 轉(zhuǎn)座酶而獲得了一個(gè)全新的功能基因。
自 2008 年 SPIN 轉(zhuǎn)座子的論文發(fā)表以來(lái)，研究者已經(jīng)報(bào)道了數(shù)千種動(dòng)物之間的轉(zhuǎn)座子水平轉(zhuǎn)移。盡管一開始這些假定的水平轉(zhuǎn)移很令人驚訝，但就像 AFP 基因一樣，相關(guān)的證據(jù)如今已不可否認(rèn)。
值得注意的是，基因水平轉(zhuǎn)移可能很難檢測(cè)。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的突變?cè)谠嘉锓N和受體物種的譜系中積累，掩蓋了共享基因的相似性。要證明一個(gè)基因發(fā)生過水平轉(zhuǎn)移，就需要證明它沒有在其他相關(guān)物種的演化過程中出現(xiàn)并隨后消失。當(dāng)一些物種滅絕時(shí)，想證明這一點(diǎn)就變得非常困難。
基因水平轉(zhuǎn)移的實(shí)際發(fā)生率可能比我們想象的要高得多。
轉(zhuǎn)移永不停止
沒有人知道 DNA 在脊椎動(dòng)物細(xì)胞之間的“跳躍”有多頻繁，但對(duì) 2017 年底在 GenBank 上公開的 307 個(gè)脊椎動(dòng)物基因組進(jìn)行梳理后發(fā)現(xiàn)，其中至少有 975 次 DNA 轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)中最突出的一點(diǎn)是，這些轉(zhuǎn)移絕大多數(shù)發(fā)生在魚類之間：幾乎 94% 的轉(zhuǎn)移與鰩魚有關(guān)；只有不到 3% 的轉(zhuǎn)移涉及鳥類或哺乳動(dòng)物。
圖 3：當(dāng)鯡魚大量產(chǎn)卵時(shí)，周圍的水體會(huì)隨著它們釋放的大量精子而變成乳白色。大量 DNA 在水中降解，可能增加了基因轉(zhuǎn)移到該海域其他物種卵中的機(jī)會(huì)
一種解釋是，這可能與鯡魚旺盛的產(chǎn)卵能力有關(guān)。如果你從飛機(jī)上俯瞰它們產(chǎn)卵的海岸線，會(huì)看到海水是乳白色的，因?yàn)樗鼈兊慕慌溥^程中排出了太多的精子。這些精子中的絕大多數(shù)無(wú)法與卵子結(jié)合，最終只能降解并釋放 DNA。
這些 DNA 可能會(huì)附著在在同一地區(qū)產(chǎn)卵的其他物種的配子上，然后在受精過程中被拖入卵細(xì)胞。幾十年來(lái)，基因工程師一直在使用一種類似的技術(shù)，即精子介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移，以制造轉(zhuǎn)基因生物。這種方法并不能保證能成功地插入 DNA，但有時(shí)確實(shí)能做到。突然間，砰！你就得到了一個(gè)轉(zhuǎn)基因生物。鯡魚的 AFP 基因可能就這樣進(jìn)入了胡瓜魚的基因組，在其他魚類身上看到的基因水平轉(zhuǎn)移可能也是如此。
不過，這不可能是唯一的解釋，因?yàn)榛蛩睫D(zhuǎn)移也會(huì)出現(xiàn)在配子沒有同等機(jī)會(huì)獲得錯(cuò)誤 DNA 的動(dòng)物身上。
圖 4：欖綠劍尾海蛇（Aipysurus laevis）的基因組中似乎有 7 個(gè)轉(zhuǎn)座子來(lái)自其他海洋生物，包括一種珊瑚
被“搭便車”的寄生蟲
大衛(wèi)?阿德爾森在澳大利亞阿德萊德大學(xué)從事基因組演化的研究。有一天，他的研究生在幫助另一位同事為欖綠劍尾海蛇（Aipysurus laevis）的基因組作注釋時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一些序列與爬行動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的其他任何序列都沒有關(guān)系。于是，阿德爾也開始了深入研究。
最終，他們發(fā)現(xiàn)了 7 次轉(zhuǎn)座子水平轉(zhuǎn)移到欖綠劍尾海蛇基因組的證據(jù)。很難確切說明是哪些物種提供了這些基因序列，但他們?cè)隰~類中找到了最匹配的物種，有的基因甚至可能來(lái)自珊瑚。
前面提到的外部受精假說不適合這些海蛇，因?yàn)樗鼈兪求w內(nèi)受精的，生出來(lái)的已經(jīng)是幼體，最大的可能性或許是寄生蟲的參與。寄生蟲會(huì)從一個(gè)物種移動(dòng)到另一個(gè)物種，它們的生命周期很奇妙，而且可以生活在動(dòng)物體內(nèi)。對(duì)陸地物種基因水平轉(zhuǎn)移的研究也暗示了寄生蟲可能扮演著重要的角色。
研究人員特別感興趣的還有一種被稱為 BovBs 的轉(zhuǎn)座子，其序列很短，只有大約 3000 個(gè)堿基對(duì)，并且只在動(dòng)物中零星出現(xiàn)。BovBs 主要存在于牛和一些有袋動(dòng)物，以及演化關(guān)系介于二者之間的少數(shù)哺乳動(dòng)物中；它們也出現(xiàn)在蛇和其他爬行動(dòng)物中。
然后，研究小組發(fā)現(xiàn)了更有趣的事情：與牛和蛇體內(nèi)的 BovBs 非常相似的 BovBs 也存在于蜱蟲和臭蟲體內(nèi)。研究表明，這些吸食血液的寄生蟲可以外泌體（exosome）將病毒傳遞到宿主體內(nèi)。如果轉(zhuǎn)座子也可以進(jìn)入外泌體，那這些寄生蟲和它們的外泌體就可能共同充當(dāng)某種載體，將轉(zhuǎn)座子從一個(gè)宿主轉(zhuǎn)移到另一個(gè)宿主。
因此，不同物種被寄生的頻率差異可能直接影響著它們接收基因水平轉(zhuǎn)移的頻率。這些差異可能還反映了這些物種在生理學(xué)或生物化學(xué)方面一些更基本的東西：某些生物體在防止游離 DNA 片段進(jìn)入基因組方面可能沒有多少辨別能力。魚類中基因水平轉(zhuǎn)移的情況較多，可能更多地與動(dòng)物本身有關(guān)，而不在于它們的棲息地。
在現(xiàn)實(shí)中，“并沒有一個(gè)唯一的答案，”似乎什么都會(huì)有點(diǎn)影響。不過，檢驗(yàn)這些假設(shè)依然有著重要的意義。這項(xiàng)研究不僅可能揭示影響基因水平轉(zhuǎn)移的潛在環(huán)境因素，還可以幫助闡明這些轉(zhuǎn)移究竟如何發(fā)生。
圖 5：魚卵（如圖中的鯡魚卵）在受精過程中可能會(huì)從水體環(huán)境中吸收一些 DNA 片段，這或許可以解釋基因水平轉(zhuǎn)移為什么在魚類中如此普遍
DNA 的“轟炸”
有多少次，我們從環(huán)境中獲取了一小段 DNA，而我自己卻不知道？也許有很多次，很可能比我想象的要多。
研究者一般都不會(huì)注意到這種轉(zhuǎn)移，除非它們發(fā)生在生殖細(xì)胞中。因此，已檢測(cè)到基因水平轉(zhuǎn)移事件必定只占全部轉(zhuǎn)移事件的一小部分。
一個(gè)令人不安的可能性是，DNA 水平轉(zhuǎn)移可能每時(shí)每刻都在發(fā)生。正如 2020 年發(fā)表的一篇論文所提到的，轉(zhuǎn)座子不僅會(huì)進(jìn)入蚊子的基因組，還可以通過蚊子攜帶的絲蟲（某種線蟲）傳播給其他物種。我們都被蚊子叮咬過多少次了？種情況的發(fā)生率非常驚人…… 我們一直在承受著（DNA 的）轟炸。
無(wú)論基因水平轉(zhuǎn)移的發(fā)生率有多高，這種現(xiàn)象對(duì)物種演化歷史的累積影響毋庸置疑。以轉(zhuǎn)移而來(lái)的 AFP 基因?qū)萧~的作用為例，一旦胡瓜魚獲得了這種基因，它就有了即時(shí)的選擇優(yōu)勢(shì)，這種選擇優(yōu)勢(shì)就是不會(huì)在冰冷的海水中被凍死，這也就意味著胡瓜魚可以向北擴(kuò)散，在北極海域自由自在地生存，從而改變生態(tài)系統(tǒng)的組成。
雖然轉(zhuǎn)座子有時(shí)被認(rèn)為是“垃圾”DNA，但它們也能產(chǎn)生巨大的影響。轉(zhuǎn)座子是“基因組中最令人興奮，最活躍也最具潛在影響力的部分”，特別是它們代表了“每個(gè)基因組中突變發(fā)生的內(nèi)部來(lái)源”。轉(zhuǎn)座子不僅會(huì)改變 DNA，而且由于它們由重復(fù)的序列組成，其存在也增加了基因重組的可能性。
轉(zhuǎn)座子可以用來(lái)引入新的基因，新的調(diào)控序列，或者重新排列染色體 —— 只要你能想到的作用可能都有。免疫系統(tǒng)產(chǎn)生大量抗體的能力似乎來(lái)自于一個(gè)古老的轉(zhuǎn)座子，在 4 億年前，這個(gè)轉(zhuǎn)座子突然進(jìn)入了所有有頜類脊椎動(dòng)物祖先的基因組。
轉(zhuǎn)座子可以成為基因組創(chuàng)新的重要來(lái)源，事實(shí)上，這些元件在不同類群之間的轉(zhuǎn)移有很多是以水平轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行的，而不僅僅只通過垂直轉(zhuǎn)移，這意味著水平轉(zhuǎn)移具有重要的影響。
盡管基因轉(zhuǎn)移到體細(xì)胞在演化上是死胡同，但它們可能會(huì)影響個(gè)體的健康和適應(yīng)性。任何細(xì)胞的基因組如果發(fā)生改變，都可能導(dǎo)致生理上的后果，比如引發(fā)癌變，我們真的不知道這些事情可能會(huì)有什么影響。
未來(lái)的研究或許能夠量化我們?nèi)粘Ｉ钪械?DNA 轉(zhuǎn)移率。隨著單細(xì)胞測(cè)序和長(zhǎng)讀取測(cè)序（long-read sequencing）技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者或許很快就能在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)了解 DNA 轉(zhuǎn)移的情況。當(dāng)?shù)谝淮螆?bào)告蚊子叮咬后會(huì)有 DNA 轉(zhuǎn)移到人身上時(shí)，想必會(huì)引起一定的關(guān)注。
物種演化模型和遺傳學(xué)的發(fā)展或許還能讓我們找到古代基因轉(zhuǎn)移的線索，僅僅十年前，這一切還是難以想象的。目前已測(cè)序的完整基因組已經(jīng)足夠多了，可以以此為基礎(chǔ)，梳理脊椎動(dòng)物的基因轉(zhuǎn)移情況，正如之前檢測(cè)到數(shù)百個(gè)轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)移一樣?？茖W(xué)家一直在考慮這么做，現(xiàn)在所要做的，就是行動(dòng)起來(lái)。
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