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生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一些具有病毒特征的遺傳因子，可能是引發(fā)基因在不同物種之間傳遞的原因。
文 | 陳強(qiáng)
生物學(xué)家在一個(gè)多世紀(jì)以來，就已經(jīng)大致搞清楚了遺傳規(guī)律：基因是在同一物種內(nèi)由父母?jìng)鬟f給子女的。但是在近些年來，生物學(xué)家也意識(shí)到有些基因會(huì)違背這種規(guī)律，能橫跨不同物種進(jìn)行傳遞。
基因可以跨越物種傳遞？
例如，鯡魚和胡瓜魚是生活在寒帶水域中兩種不同類別的魚，但它們都擁有幾乎一模一樣的抗凍基因，能夠表達(dá)出防止血液凍結(jié)的蛋白質(zhì)。生物學(xué)家推測(cè)，這種基因很可能是從鯡魚傳遞到胡瓜魚中的。另外，在馬達(dá)加斯加的熱帶雨林中，生物學(xué)家還驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)厍嗤艿幕蚪M中，一種叫作“BovB”的基因似乎源自于蛇。
上面這些現(xiàn)象叫作基因水平轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer）。生物學(xué)家一直搞不清楚其背后的機(jī)制是什么，盡管他們懷疑病毒在其中扮演了一定的角色。
最近，在《科學(xué)》（Science）上發(fā)表的一篇最新論文中，奧地利科學(xué)院的生物學(xué)家表示，他們發(fā)現(xiàn)了一類可轉(zhuǎn)移的遺傳因子，它們能攜帶某些基因，并在多個(gè)不同種類線蟲之間轉(zhuǎn)移。
從一種線蟲轉(zhuǎn)移到另一種線蟲可能聽起來沒什么了不起，但是這些線蟲已經(jīng)分化了數(shù)億年，它們之間的差別相當(dāng)于魚類和人類的差異。
這些遺傳因子被稱為“Maverick”，它們?cè)诟鞣N動(dòng)物中都被檢測(cè)到，包括無脊椎動(dòng)物和脊椎動(dòng)物，它們具有許多病毒基因才具有的特征?？紤]到這些性質(zhì)，生物學(xué)家懷疑 Maverick 以及類似的遺傳因子，可能在生命演化中促成了基因水平轉(zhuǎn)移。
來自線蟲的新發(fā)現(xiàn)
這項(xiàng)新的發(fā)現(xiàn)，源于對(duì)線蟲基因組中一種獨(dú)特的遺傳因子的研究。這種遺傳因子特別自私，它甚至?xí)⑺啦粩y帶它的后代。它包含了兩個(gè)基因，一個(gè)可表達(dá)出有毒的蛋白質(zhì)，一個(gè)可表達(dá)出能夠中和這種蛋白質(zhì)的解毒劑。
一只攜帶該遺傳因子的線蟲，產(chǎn)生的卵子或精子會(huì)沉積毒素。只有在受精卵中，遺傳因子才能正常表達(dá)解毒劑。這樣，如果這只線蟲與不攜帶該遺傳因子的個(gè)體交配時(shí)，只有至少繼承了其中一個(gè)遺傳因子拷貝的后代，才能表達(dá)出解毒劑，從而存活下來。這就好像遺傳因子借助這種“毒素-解毒劑”組合，劫持了線蟲的基因組，以確保其傳播。
2021 年，奧地利科學(xué)院的生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種線蟲中的毒素基因看起來幾乎和另一種線蟲中的一個(gè)不同功能的基因一模一樣，核苷酸相似度幾乎達(dá)到了 97%。就好像這個(gè)基因從一種線蟲中被復(fù)制了下來，然后以某種方式粘貼到了另一種線蟲的基因組中。
類似病毒的遺傳因子
為了揭示問題的來源，生物學(xué)家決定檢查周圍的 DNA。他們?cè)诨騼蓚?cè)的 DNA 中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)的序列，這很像轉(zhuǎn)座子（transposon）的一部分。轉(zhuǎn)座子是一種能在一個(gè)基因組內(nèi)移動(dòng)的遺傳因子，能通過復(fù)制自己，將自己的拷貝插入到基因組的不同位置。
該團(tuán)隊(duì)還在兩側(cè)發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)病毒基因的殘留物：一個(gè)能夠表達(dá)出病毒外殼蛋白質(zhì)的基因，一個(gè)通常能夠促進(jìn)病毒復(fù)制的基因，以及一個(gè)用于將病毒 DNA 整合到宿主基因組中的“膠水”基因。
這些發(fā)現(xiàn)表明，被轉(zhuǎn)移的基因嵌入在一組類似病毒的基因和一個(gè)轉(zhuǎn)座子中，這些一起構(gòu)成了一種可在不同物種之間傳遞的遺傳因子。它就是 Maverick。
另外，其中一種線蟲中的 Maverick 還有一個(gè)額外的基因，它可以表達(dá)出一種叫做融合素（fusogen）的蛋白質(zhì)，它使病毒能夠與細(xì)胞融合，并將其基因組轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中。沒有融合素，病毒就沒有辦法轉(zhuǎn)移它的基因。這種蛋白質(zhì)的存在，強(qiáng)有力地表明 Maverick 能夠生成類似病毒的顆粒，并侵入到不同類型的細(xì)胞中。
生物學(xué)家很快在線蟲基因組中，尋找到了很多其他基因嵌入在 Maverick 中的例子。顯而易見的是，他們發(fā)現(xiàn)的不是基因水平轉(zhuǎn)移的孤立案例。在跨越 10 多個(gè)屬的 100 多個(gè)線蟲基因組中，有兩個(gè)基因經(jīng)常被 Maverick 當(dāng)作“貨物”收走，并在不同物種之間廣泛傳遞。從北美到印度，再到南非一公里深的金礦中，完整和不完整的遺傳因子滲透到了全球不同地區(qū)的線蟲種群中。
盡管間接證據(jù)強(qiáng)有力地表明，Maverick 促成了線蟲物種之間的基因水平轉(zhuǎn)移，但生物學(xué)家還沒有親眼目睹它們的行動(dòng)。生物學(xué)家下一步研究的重點(diǎn)，就是要找到一種方法，能在顯微鏡下觀察到 Maverick 產(chǎn)生類似病毒顆粒的過程。
重塑我們對(duì)生物演化的認(rèn)識(shí)
Maverick 是一類古老而碎片化的遺傳因子，在原生生物、真菌和動(dòng)物（包括人類）的基因組中普遍存在。這些大型的可轉(zhuǎn)移的遺傳因子，最初被認(rèn)為是無效的、突變的過時(shí)基因的殘余。但后來的研究發(fā)現(xiàn)，Maverick 可以被重新激活，并且它們可以促成一些原生生物物種之間的基因水平轉(zhuǎn)移。在多細(xì)胞生物中，完整、完好的 Maverick 之前從未被詳細(xì)研究過。因此，線蟲提供了一個(gè)研究它們的難得機(jī)會(huì)。
這項(xiàng)工作有著一個(gè)潛在的實(shí)際應(yīng)用。許多線蟲物種是寄生蟲，會(huì)感染農(nóng)作物和牲畜。如果研究人員了解 Maverick 是如何工作的，也許就可以利用它把特定致病基因引入寄生蟲，以此來防控寄生蟲。
此外，Maverick 可以攜帶一些具有抗病毒或抗菌活性的基因，這些基因可能可以用于開發(fā)新的藥物或疫苗。Maverick 也可以作為一種基因轉(zhuǎn)移的工具，用于基因治療或基因編輯等應(yīng)用。
研究人員還意識(shí)到到，借助 Maverick 以及其他遺傳因子進(jìn)行基因水平轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，在自然界中可能比我們想象的更為廣泛。一些基因水平轉(zhuǎn)移，可能會(huì)影響物種的遺傳多樣性和適應(yīng)性，甚至導(dǎo)致新物種的形成或一些物種的滅絕。所以說，要真正理解生物的演化進(jìn)程，我們還必須了解這些可以在物種之間轉(zhuǎn)移的“獨(dú)行者”。
參考文獻(xiàn)：
https://doi.org/10.1126/science.ade0705
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