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代际传递不是遗传的唯一方式?跨物种间“借基因”再添新证据

2019-01-31
一些在温泉和其他极端环境中发现的红色藻类(单细胞真核生物)的基因组表明,大约1%的基因是外来的,这些“借来”的基因可能会帮助藻类适应它们的恶劣环境。

人并非是一个完整意义上的“人”,类似的,真核生物会从原核生物中“借来”基因从而促进自己的进化吗?这类物种演化的方式在科学上有一个专门术语“基因水平转移”( Horizontal Gene Transfer, HGT),但长期以来充满争议。

1月23日,生物学领域的预印本服务BioRxiv网站发布了一项新研究,一些在温泉和其他极端环境中发现的红色藻类(单细胞真核生物)的基因组表明,大约1%的基因是外来的,这些“借来”的基因可能会帮助藻类适应它们的恶劣环境。

这项研究由美国罗格斯大学进化基因组学家Debashish Bhattacharya和德国杜塞尔多夫大学植物生物化学家Andreas Weber等人共同完成,他们仔细研究了一个可能由细菌到真核生物的基因转移的案例。

Bhattacharya等人对两种被称为温泉红藻纲(Cyanidiophyceae,一群生活在高温高酸环境中的单细胞红藻)的红藻的基因组进行的测序。这些所谓的极端微生物生活在酸性温泉甚至岩石内部,无法维持多余的DNA,它们似乎只包含生存所需的基因。Bhattacharya说,“当我们发现一个细菌基因时,我们知道它一定有一个重要的功能,否则它不会在这类红藻的基因组中持续存在。”

他和Weber采用了一种新的技术,这种技术可以破译DNA的长片段。13个红藻基因组研究中发现了96个外来基因,这些外来基因几乎都夹在典型的藻基因的DNA序列中,这使得它不太可能是意外地由于污染进入到实验中。

所谓的基因水平转移,指的是不同生物体间以非正常遗传的方式进行的基因转移,也被称为是“横向”的基因传递。相较而言,这里“正常遗传”通常指的就是遗传物质或基因组代际传递,也就是遗传物质的主要传递方式,是 “演化树”的形成原因——基因是随时间“纵向”传递的。

据《科学》(Science)官网报道,俄克拉荷马州立大学植物生理学家Gerald Schoenknecht点评道,“至少, ‘假定转移的基因’都是污染这个观点应该最终被淘汰了。”转移的基因似乎可以运输或解毒重金属,或帮助藻类从环境中提取营养,或应对高温和其他环境压力。Schoenknecht说,“通过从嗜极原核生物中获取基因,这些红藻已经适应了越来越极端的环境。”

其他也有一部分科学家已经被说服了,加拿大达尔豪斯大学的原生生物(真核生物中一种)基因组学家Andrew Roger表示,上述研究小组为真核生物的基因水平转移(生物将遗传物质传递给其他细胞而非其子代的过程,HGT)提供了一个“相当好的、绝对可靠的案例”。

但这新的结论并没有说服那些坚定的批评者,他们不认同真核生物定会接受有益的细菌DNA这一观点。虽然,许多基因组研究表明,原核生物(细菌、古生菌)在物种间自由交换基因,并影响它们的进化。但也有研究表明,在脊椎动物基因组中发现的这类基因往往是测序过程中引入的污染物。

有趣的是,人类基因组的初步测序也表明,人类这一物种也获得了微生物基因。2015年,英国剑桥大学生物学家Alastair Crisp在国际著名学术期刊《基因组生物学》(Genome Biology)发表研究,人类或携带了多达145个来自细菌、其他单细胞生物体以及病毒的基因,后者把人类基因组当作了自己的家。

杜塞尔多夫大学的生物学家William Martin是坚定的批评者之一。2015年,Martin及其同事在《自然》(Nature)杂志上分析了许多物种的数百万个蛋白质序列后得出结论,原核生物基因并没有显著地转移到真核生物中。Martin认为,这种转移只是在真核生物进化的早期偶然发生的,因为它们内化了最终成为线粒体或叶绿体等细胞器的细菌。

值得一提的是,基因水平转移最有名的例子即为所有真核生物细胞中都存在的线粒体。线粒体被称为是“寄生者”, 它有自己的DNA,也能完成从DNA到RNA再到蛋白质的基因表达过程,看起来像是寄生在细胞里的一样,但又是我们的细胞赖以消耗能源物质产生能量的“发电站”。

对于线粒体的起源,科学界已基本接受了内共生(endosymbiosis)假说。也就是说,线粒体原本是独立生活的原核生物,进入真核生物的细胞后被同化成了细胞的一部分,但仍然保留了自己的基因组和基因表达功能。

植物细胞中还存在的另一种与线粒体相似的细胞器叶绿体,它也有自己的DNA,被认为是内共生的另一个例子,也经历了向细胞核的基因水平转移。

但Martin认为,如果细菌基因能不断地进入真核生物并被利用,那么真核生物系谱树中应该可以看到这种基因积累的模式,但实际上没有。

Martin说,新的证据无法说服他。他断言,“如果‘向真核生物基因水平转移’是真实的,他们会竭尽全力找到我所说的他们应该找到的东西,但他们没有找到。”

另一些人则认为,基因转移到真核生物中是如此罕见,而且清除任何外来但很最重要的外来基因的压力是如此之大,以至于转移的基因可能不会像Martin预期的那样随着时间的推移而累积。

当然,Roger也提到,在红藻中发生的事情可能不会发生在人类或其他动物身上。“人类和包括植物在内的所有多细胞真核生物都有专门的生殖细胞,如精子、卵子或它们的干细胞,只有这些细胞携带了细菌基因才能遗传下来。”

尽管存在这些障碍,但一些昆虫研究人员说他们看到了这种基因转移的证据。美国蒙大拿州立大学研究粉虱的生物学家John McCutcheon就是其中之一, “我不再问‘细菌基因是否存在’,而是问它们是如何工作的。”他补充说,红藻“是一个非常清晰的例子”。


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