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图/视觉中国 |
□顾舒晨（浙江大学生命科学研究院） 一种动物的基因组里竟然存在其他不同物种的基因？这一现象被发现普遍存在于自然界——比如青蛙体内竟存在蛇的基因，甚至人类也携带有145个外来基因。 不同物种“共享”同一个基因，并享受它带来的功能，这可能是祖先留下的馈赠。但为什么两个不同物种可以共享基因，这个基因又是如何跨物种“跳跃”的呢？ 新的研究可能会给我们答案。 物种间存在“基因水平转移” 人类的基因里留下了许多远古时期的基因印记。到目前为止，科学家已发现人类携带有145个外来基因。这些基因约8%来自于病毒，约2%来自于古人类（如尼安德特人或者丹尼索瓦人），还有一些来自于细菌、真菌或者动植物等。 相比人类，微生物界的基因“礼尚往来”显得更为频繁。不同微生物之间通过交换“有用”的基因让自己能更好地适应环境并生存下来。虽然这些微生物之间并没有直接的“亲戚”关系，但它们的部分基因的确跨越了物种的屏障，从一种微生物成功地转移到了另一种微生物的基因组中。这就是“基因水平转移”现象——这也是与遗传学中备受关注的“基因垂直传递”（遗传物质由父母带给子代）相对立的一个概念。 随着对基因研究的深入，科学家已经发现了许多基因水平转移的例子。无论是动物还是植物，都有此现象发生。例如，生活在极地的两种不同的鱼类鲱鱼和胡瓜鱼，它们“共享”了编码完全相同的防冻蛋白——防止它们的血液和组织在极地的水域中冻结；另外，在马达加斯加的热带雨林中，生物学家还发现当地一种青蛙的基因组中，有一种叫作“BovB”的基因似乎源自当地的蛇。 帮助基因“跳跃”的载体被发现 随着基因水平转移的例子越来越多，科学家对这一现象背后的机制更加感到困惑。 最近，来自奥地利科学院分子生物技术研究所Alejandro Burga实验室的研究人员观察并记录了一个基因水平转移事件。他们利用线虫进行研究时，偶然观察到一个“跳跃”的基因——两种不同线虫中存在一个几乎完全相同的基因，其核苷酸相似度接近97%，而这两种线虫之间差异巨大，并存在生殖隔离（注：即表现为在自然条件下不交配，或者即使能交配也不能产生后代或不能产生可育性后代的隔离机制）。它们自身基因组之间的差异相当于人类与鱼类的基因组之间的区别。 这个发生了“跳跃”的基因，看起来像是这种线虫以某种方式将另一种线虫的基因复制了过来，并粘贴到自己的基因组中。 为了找出这一基因是如何实现“共享”，该团队检查了这些“共享”基因周围的DNA，他们发现，被转移的基因镶嵌在一组类似病毒的基因和一个转座子中，而这些基因被认为是一个叫“Maverick”的基因的一部分——它们在许多动物体内都被检测到，包括无脊椎动物和脊椎动物。它们是一类古老且碎片化的跳跃基因，在原生生物、真菌和动物（包括人类）的基因组中普遍存在。 这一次的研究发现，在另一种线虫中的Mavericks还拥有一个额外的基因，它可表达出一种叫作融合素的蛋白。这个蛋白具有将病毒与细胞的膜结构融合，并将病毒基因组转移到细胞中的能力。这种蛋白质的存在也表明，Mavericks能够生成类似病毒的颗粒，并侵入到不同类型的细胞中。因此研究团队猜想，Mavericks很可能担任了“共享”基因的“司机”，带着它们游走于不同物种。 研究人员检索了线虫的基因数据库后，又找到了很多其他基因嵌入Mavericks中的例子，并发现在跨越10多个属的100多种线虫基因组中，有两个基因经常被Mavericks当作“货物”运走，并在不同物种之间广泛传递。 这些发现间接证实了帮助基因“跳跃”的载体就是Mavericks。 生物学家推测，正是Mavericks以及类似的遗传因子，在生命演化中促成了基因水平转移。 这一研究结果发表在2023年6月30日的《Science》（《科学》）期刊上。 新发现或可用于基因治疗 科学家目前只是发现了一些间接证据，还没有亲眼目睹这种基因水平转移的过程。但他们正在全力以赴，希望在不久的将来，能通过显微镜观察到Mavericks产生类似病毒颗粒的过程，观测到基因“跳跃”的“画面”。 这种基因“跳跃”机制的发现，重塑了我们对生物演化的认识。 研究人员称，到目前为止，在多细胞动物中还没有完整的Mavericks被详细研究过。而线虫是能够令农作物和牲畜感染病毒的寄生虫，如果能更清楚地掌握Mavericks的工作原理，也许我们就能利用它将特定致病基因引入寄生虫中，以此达到防控寄生虫的目的。 此外，Mavericks既然是可以携带某些抗病毒和抗菌的基因，就表示它可能用于开发新的药物或疫苗，或将其打造成一种基因转移的工具，用于基因治疗和基因编辑等应用。 研究人员认为，基因水平转移现象会影响到物种遗传的多样性和适应性，从而导致新物种的形成或物种的灭绝。为了保护物种多样性，真正理解生物演化规律，我们需要更多地了解这些能够帮助基因在物种间“跳跃”的载体。 （本文由科普中国-星空计划出品，来源于科学新媒体《返朴》微信ID：fanpu2019）
