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生物學家發(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
生物學家在一個多世紀以來，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)由父母傳遞給子女的。但是在近些年來，生物學家也意識到有些基因會違背這種規(guī)律，能橫跨不同物種進行傳遞。
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，能夠表達出防止血液凍結的蛋白質。生物學家推測，這種基因很可能是從鯡魚傳遞到胡瓜魚中的。另外，在馬達加斯加的熱帶雨林中，生物學家還驚奇地發(fā)現(xiàn)，當?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)象叫作基因水平轉移（horizontal gene transfer）。生物學家一直搞不清楚其背后的機制是什么，盡管他們懷疑病毒在其中扮演了一定的角色。
最近，在《科學》（Science）上發(fā)表的一篇最新論文中，奧地利科學院的生物學家表示，他們發(fā)現(xiàn)了一類可轉移的遺傳因子，它們能攜帶某些基因，并在多個不同種類線蟲之間轉移。
從一種線蟲轉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于魚類和人類的差異。
這些遺傳因子被稱為“Maverick”，它們在各種動物中都被檢測到，包括無脊椎動物和脊椎動物，它們具有許多病毒基因才具有的特征。考慮到這些性質，生物學家懷疑 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移。
來自線蟲的新發(fā)現(xiàn)
這項新的發(fā)現(xiàn)，源于對線蟲基因組中一種獨特的遺傳因子的研究。這種遺傳因子特別自私，它甚至會殺死不攜帶它的后代。它包含了兩個基因，一個可表達出有毒的蛋白質，一個可表達出能夠中和這種蛋白質的解毒劑。
一只攜帶該遺傳因子的線蟲，產(chǎn)生的卵子或精子會沉積毒素。只有在受精卵中，遺傳因子才能正常表達解毒劑。這樣，如果這只線蟲與不攜帶該遺傳因子的個體交配時，只有至少繼承了其中一個遺傳因子拷貝的后代，才能表達出解毒劑，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，奧地利科學院的生物學家發(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不同功能的基因一模一樣，核苷酸相似度幾乎達到了 97%。就好像這個基因從一種線蟲中被復制了下來，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，生物學家決定檢查周圍的 DNA。他們在基因兩側的 DNA 中發(fā)現(xiàn)了重復的序列，這很像轉座子（transposon）的一部分。轉座子是一種能在一個基因組內(nèi)移動的遺傳因子，能通過復制自己，將自己的拷貝插入到基因組的不同位置。
該團隊還在兩側發(fā)現(xiàn)了幾個病毒基因的殘留物：一個能夠表達出病毒外殼蛋白質的基因，一個通常能夠促進病毒復制的基因，以及一個用于將病毒 DNA 整合到宿主基因組中的“膠水”基因。
這些發(fā)現(xiàn)表明，被轉移的基因嵌入在一組類似病毒的基因和一個轉座子中，這些一起構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 還有一個額外的基因，它可以表達出一種叫做融合素（fusogen）的蛋白質，它使病毒能夠與細胞融合，并將其基因組轉移到細胞中。沒有融合素，病毒就沒有辦法轉移它的基因。這種蛋白質的存在，強有力地表明 Maverick 能夠生成類似病毒的顆粒，并侵入到不同類型的細胞中。
生物學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)的不是基因水平轉移的孤立案例。在跨越 10 多個屬的 100 多個線蟲基因組中，有兩個基因經(jīng)常被 Maverick 當作“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)強有力地表明，Maverick 促成了線蟲物種之間的基因水平轉移，但生物學家還沒有親眼目睹它們的行動。生物學家下一步研究的重點，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。
重塑我們對生物演化的認識
Maverick 是一類古老而碎片化的遺傳因子，在原生生物、真菌和動物（包括人類）的基因組中普遍存在。這些大型的可轉移的遺傳因子，最初被認為是無效的、突變的過時基因的殘余。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移。在多細胞生物中，完整、完好的 Maverick 之前從未被詳細研究過。因此，線蟲提供了一個研究它們的難得機會。
這項工作有著一個潛在的實際應用。許多線蟲物種是寄生蟲，會感染農(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移的工具，用于基因治療或基因編輯等應用。
研究人員還意識到到，借助 Maverick 以及其他遺傳因子進行基因水平轉移的現(xiàn)象，在自然界中可能比我們想象的更為廣泛。一些基因水平轉移，可能會影響物種的遺傳多樣性和適應性，甚至導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程，我們還必須了解這些可以在物種之間轉移的“獨行者”。
參考文獻：
https://doi.org/10.1126/science.ade0705
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