人類有145個外來基因，為何基因可以跨物種轉(zhuǎn)移？

一種動物的基因組里竟然存在其他物種的基因？這一現(xiàn)象現(xiàn)在被發(fā)現(xiàn)普遍存在于自然界，即便是人類也攜帶145個外來基因。近年來生物學(xué)家還發(fā)現(xiàn)青蛙體內(nèi)存在蛇的基因，不同物種“共享”同一個基因享受它帶來的功能。這可能是祖先留下的饋贈。最近一個團隊發(fā)現(xiàn)了一個“剛剛發(fā)生”的基因轉(zhuǎn)移事件，為什么兩個不同物種可以共享基因，這個基因是如何“跳躍”的呢？新的研究可能會給我們答案。

撰文 | 顧舒晨（浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院）

沒有一個物種是一座孤島。當(dāng)人類的祖先在遠(yuǎn)古大陸上闖蕩之時，他們與許多物種擦肩而過，而它們也在人類的基因上留下了印記，并最終成為了人類基因中的幽靈，靜靜描述著那段歷史。在多年以后，科學(xué)家驀然發(fā)現(xiàn)，人類已攜帶了145個外來基因。這些基因約8%來自于病毒，約2%來自于古人類（如尼安德特人或者丹尼索瓦人），還有一些來自于細(xì)菌、真菌或者動植物等[1]。

什么是基因水平轉(zhuǎn)移 (HGT )？

相比與人類，微生物界的“禮尚往來”顯得更為頻繁。在地球還未被人類等高等生物占領(lǐng)時，微生物才是地球的主宰。那時的生存環(huán)境大多比較惡劣，許多微生物生活在火山口、熱泉等地方，所以生存下來才是頭等大事。于是不同微生物之間也會通過交換更“有用”的基因而讓自己更好地適應(yīng)不同的環(huán)境，從而生存下來。雖然這些微生物之間是八竿子打不著的親戚，但它們的部分基因的確跨越了物種的屏障，從一種微生物成功地轉(zhuǎn)移到了另一種微生物的基因組中。這就是“基因水平轉(zhuǎn)移” （Horizontal Gene Transfer, HGT）現(xiàn)象，是與遺傳學(xué)中倍受關(guān)注的“基因垂直傳遞”（遺傳物質(zhì)由父母帶給子代）相對立的一個概念[2]。也就是說，即使在有生殖隔離的物種間，它們也有機會得到這種來自于隔壁鄰居家的“基因小禮物”。

隨著對基因研究的深入，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多基因水平轉(zhuǎn)移的例子，無論在動物還是在植物中都有發(fā)生。例如生活在極地的兩種不同的魚類鯡魚和胡瓜魚，它們“共享”編碼完全相同的防凍蛋白——防止它們的血液和組織在極地的水域中凍結(jié)[3]。另外，在馬達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，有一種叫作“BovB”的基因似乎源自于蛇（參見《馬達加斯加的“轉(zhuǎn)基因工廠”：青蛙為什么有了蛇的基因？》）[4]。隨著基因水平轉(zhuǎn)移的例子越來越多，科學(xué)家更加對這一現(xiàn)象背后的機制感到困惑：這些基因是如何在不同的物種之間“跳躍”的？

小線蟲中的大發(fā)現(xiàn)

最近，來自奧地利科學(xué)院分子生物技術(shù)研究所Alejandro Burga實驗室的研究人員當(dāng)場抓住了一個HGT事件，他們在線蟲中觀察到了一個剛剛發(fā)生“跳躍”的基因，并找到了幫助基因跳躍的載體“Maverick”。Mavericks在各種動物中都有被檢測到，包括無脊椎動物和脊椎動物，它們具有許多病毒基因才有的特征?？紤]到這些性質(zhì)，生物學(xué)家懷疑 Mavericks 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。這一研究結(jié)果發(fā)表在2023年6月30日的Science期刊上，論文標(biāo)題為“Virus-like transposons cross the species barrier and drive the evolution of genetic incompatibilities” [5]。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象”純屬偶然”。2021年，該團隊的研究生Israel Campo Bes在研究線蟲C.briggsae時，偶然發(fā)現(xiàn)這種線蟲與另一種線蟲C.plicata有一個幾乎完全相同的基因，它們的相似度驚人，核苷酸相似度接近97%?？雌饋砭拖袷且恢痪€蟲復(fù)制了它的基因，并以某種方式將它們粘貼到另一只線蟲的基因組中。這一發(fā)現(xiàn)之所以驚人是因為C.briggsae和C.plicata是兩種存在生殖隔離的物種。它們的基因組之間的巨大差異相當(dāng)于人類和魚類的基因組之間的區(qū)別。然而它們居然有著一個幾乎相同的基因，這清楚地顯示出這是近期發(fā)生的HGT事件。

這一發(fā)現(xiàn)也震驚了實驗室的分子遺傳學(xué)家Alejandro Burga，為了找出這一“共享”基因的起源，Burga和他的團隊決定檢查這些“共享”基因周圍的DNA。最終他們在這個基因的周圍發(fā)現(xiàn)了重復(fù)的序列，這是轉(zhuǎn)座子的特征。轉(zhuǎn)座子是一種能在基因組內(nèi)移動的遺傳因子，能夠通過復(fù)制自己，將自己的拷貝插入到基因的不同位置。另外，他們還發(fā)現(xiàn)了一些病毒基因的殘留物：一個能夠表達出病毒外殼蛋白質(zhì)的基因、一個能夠促進病毒復(fù)制的基因以及一個用于將病毒DNA整合入宿主基因組中的“膠水”基因。這些發(fā)現(xiàn)表明被轉(zhuǎn)移的基因鑲嵌在一組類似病毒的基因和一個轉(zhuǎn)座子中，而這些基因被認(rèn)為是Mavericks的一部分。

不僅如此，在另一種線蟲中的Mavericks還擁有一個額外的基因，它可表達出一種叫作融合素（fusogen）的蛋白質(zhì)，它能夠?qū)⒉《九c細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)融合，并將病毒基因組轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中。沒有融合素，病毒（特別是包膜病毒）就沒有辦法轉(zhuǎn)移它的基因。這種蛋白質(zhì)的存在，強有力地表明 Mavericks 能夠生成類似病毒的顆粒，并侵入到不同類型的細(xì)胞中。

隨后，Burga的團隊迅速檢索了線蟲的基因數(shù)據(jù)庫，很快他們就發(fā)現(xiàn)，這不是孤立的基因水平轉(zhuǎn)移，他們找到了很多其他基因嵌入在 Mavericks中的例子。在跨越 10 多個屬的 100 多種線蟲基因組中，有兩個基因經(jīng)常被 Mavericks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。

盡管這些間接證據(jù)強有力地表明Mavericks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。因此下一步研究的重點，就是要找到一種方法，讓我們能在顯微鏡下觀察到 Mavericks產(chǎn)生類似病毒顆粒的過程，觀測到基因“跳躍”的每一幀畫面。

類似病毒的轉(zhuǎn)座子Maverick能夠作為水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）載體。圖源：IMBA-IMP Graphics

從“跳躍”得到的啟發(fā)

這種基因“跳躍”機制的發(fā)現(xiàn)重塑了我們對生物演化的認(rèn)識。Mavericks是一類古老且碎片化的跳躍基因，在原生生物、真菌和動物（包括人類）的基因組中普遍存在。最初人們認(rèn)為這些巨大的移動元素是無效的、已經(jīng)過時的基因突變的遺跡。但后來的研究表明Mavericks可以被重新激活，并且它們可以在某些原生物種之間介導(dǎo)水平基因轉(zhuǎn)移[6]。然而到目前為止，在多細(xì)胞動物中還沒有完整的Mavericks被詳細(xì)研究過。這一次，線蟲為我們提供了一個難得的機會，并且線蟲不只是生物實驗的模式動物，許多線蟲是能夠感染農(nóng)作物和牲畜的寄生蟲。如果我們能更清楚地掌握Mavericks的工作原理，也許我們就能利用它將特定致病基因引入寄生蟲中，以此達到防控寄生蟲的目的。

此外，這一發(fā)現(xiàn)也表明Mavericks可以攜帶某些抗病毒和抗菌的基因，這也提示它可能用于開發(fā)新的藥物或疫苗，或?qū)⑵浯蛟斐梢环N基因轉(zhuǎn)移的工具，用于基因治療和基因編輯等應(yīng)用。

通過Mavericks或者其他遺傳因子進行基因水平轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象在自然界還有很多。這些基因的水平轉(zhuǎn)移會影響到物種遺傳的多樣性和適應(yīng)性，從而導(dǎo)致新物種的形成或物種的滅絕。為了保護物種多樣性，真正理解生物演化規(guī)律，我們也需要更多地了解這些能夠幫助基因在物種間跳躍的載體。

參考文獻

[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.

本文受科普中國·星空計劃項目扶持

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

注：封面圖為版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載時使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛。