基因如何从蛇跃迁到青蛙

研究人员怀疑，在马达加斯加蟒蛇（中心）和其他蛇类中发现的BovB基因版本可能特别擅长进行水平转移。彩绘芦苇蛙（上）和金色披风蛙（下）是获得BovB的众多蛙类中的两种。

（从上到下）伯纳德·杜邦；爬行动物4所有；弗拉基米尔·弗兰格尔

当基因流浪

水平转移在细菌中很常见。遍布地球上几乎每一个缝隙的大量单细胞生物从环境中获取基因就像棉绒刷捡起猫毛一样容易。这就是细菌对抗生素的耐药性普遍存在的原因之一：保护性基因很容易传播，自然选择确保耐药性细菌在竞争中胜过它们的邻居并将它们的基因传给下一代。细菌如此轻易地交换基因，以至于一些科学家甚至提出细菌形成了相关生命的网络，而不是分支的家谱。

然而，人类、青蛙和蛇等真核生物的细胞是不同的。它们的细胞核通常看起来像是保护基因组的堡垒。 DNA 被小心地盘绕起来并储存在城堡的图书馆中，酶只调用它们在任何给定时间需要检查的基因。细胞装有故障保险装置，以防止其 DNA 受损并修复磨损。如果基因组就像一本无价的发光手稿，那么它的图书馆员就带着剑。

然而，涉及真核生物的水平基因转移的例子不断涌入科学文献中。鲱鱼和胡瓜鱼是在北极、北太平洋和北大西洋冰冷的海水中游泳的无关鱼类，它们的蛋白质基因完全相同，可以防止血液结冰。它很可能从鲱鱼变成了胡瓜鱼。加拿大皇后大学的分子生物学家Laurie Graham和她的同事去年报道了这一点；他们的发现是如此违反直觉，以至于格雷厄姆很难发表作品。

鲱鱼（上图）和胡瓜鱼是无关的冷水鱼，但由于很久以前的水平转移，它们都携带相同的基因，可以防止它们在冰冷的水中结冰。

同样，法国国家农业、食品和环境研究所的进化生物学家Etienne GJ Danchin和他的同事正在研究线虫从细菌中获得的一套酶。东卡罗来纳大学的Jinling Huang及其同事在今年的一篇论文中写道，早在很久以前，似乎有 100 多个基因家族已经从微生物跃升为植物。

进化论为什么会对其中一些不太可能的转移微笑，有非常清楚的原因。带有该基因的鱼不会冻结。线虫的消化酶使它们能够从所吃植物的细胞壁中榨取更多能量。由于从细菌中提取了一组酶，进化生物学家Debashish Bhattacharya和他在罗格斯大学的学生Julia Van Etten研究的居住在温泉中的红藻可以在与否则会杀死它们的物质接触后存活下来。如果一个基因提高了生存率，那么第一个有机体的后代很快就会获得它。

然而，并非所有这些游荡基因都一定会带来优势。 BovB是一种众所周知的转座子，是一种易于在基因组周围随机跳跃的遗传物质碎片。在某种程度上，它在马达加斯加从蛇跃入青蛙——不管发生了什么——只是比平常更大的飞跃。此外，虽然转座子可以 对基因组产生深远的影响，但BovB并不是传统意义上的具有功能的基因。它只是一些复制自身的DNA。 Kurabayashi 指出，虽然不能排除BovB 使青蛙受益的可能性，但 BovB更有可能通过自身在自我复制方面的积极成功而坚持下去。这可能有助于解释为什么当真核生物最终与其他生物的遗传物质结合时，经常会涉及到像BovB这样的转座子。

尽管真核生物从细菌中获取基因看起来很奇怪，但更奇怪的是，在另一个方向上水平基因转移的例子非常罕见。出于某种原因，细菌不想要我们的基因。真核基因的结构特征使其不是细菌的完美材料，但也可能有其他促成因素。

“也许真核生物没有细菌感兴趣的基因，”不列颠哥伦比亚大学研究水平转移的生物学家帕特里克·基林说。

病毒式传播

与细菌不同，病毒具有从真核宿主中获取基因的真正诀窍。病毒，尤其是被称为逆转录病毒的病毒，具有进入宿主细胞和细胞核的工具，它们是将遗传物质插入宿主基因组的大师。高达 8% 的人类基因组是由逆转录病毒的残余物组成的，逆转录病毒是我们物种历史上很久以前感染的片段。

有时，转移也会以另一种方式进行。在去年 12 月发表在《自然微生物学》上的一篇论文中，Keeling、他的合作者、牛津大学的Nicholas Irwin及其同事对 201 种真核生物和 108,842 种病毒之间的水平基因转移进行了首次综合分析。他们发现了超过 6,700 次基因转移的证据，其中宿主到病毒的转移大约是病毒到宿主转移的两倍。他们得出的结论是，水平基因转移是双方进化的主要驱动力：病毒经常利用它们获得的真核基因来更有效地感染宿主，而真核生物有时利用病毒基因的元素来创造新的特征或调节它们的宿主。新陈代谢的新方式。

像这样的发现已经让一些生物学家相信，病毒至少可以促进一些水平的基因转移。如果病毒可以从宿主那里获取基因，并且如果它们可以留下基因组片段，那么它们似乎有时也可以从它们感染的最后一个宿主，甚至是几代前的宿主中转移基因，并将它们交给一个新的主机。

病毒的参与也有助于解决真核生物水平转移的另一个难题。为了发生转移，旅行基因需要清除一系列障碍。首先，它们必须从供体物种到新的宿主物种。然后它们必须进入细胞核并将自己安置在宿主基因组中。但是仅仅进入任何细胞的基因组是行不通的：在像青蛙和鲱鱼这样的多细胞生物中，一个基因不会传给动物的后代，除非它可以潜入生殖细胞——精子或卵子。

病毒可能使这一系列事件更有可能发生。 Danchin 说，在像线虫这样的小生物中，生殖道及其生殖细胞离肠道不远，食物中摄入的病毒可以在那里定居。因为青蛙将它们的卵子和精子释放到开放水域中，这些细胞可能容易受到环境中可能滑入基因的病毒的影响。

即使是更大的生物，它也可能比你想象的要容易。在这一点上，这仍然是一个推测性的想法，但“生殖道充满了微生物和病毒，”丹钦说。 “我们知道一些病毒会特异性感染生殖细胞。”

基林建议，要了解水平基因转移的奥秘，也许我们应该将其视为生物体行为、其邻居和环境的生态后果。如果一个水平转移的基因能带来任何生存益处，那么它很可能在很大程度上取决于该基因的接受者发现自己的特定场景——冰冷的大海、温泉、具有强韧防御的可口寄主植物。 “它们与那东西所在的生态息息相关，但它会发生变化，”他推测道。随着环境的错误转变，被转移的基因“不再有利，而且丢失了”。

生态线索

真核生物中的水平基因转移可能一直在发生：在你后院的池塘里，在你脚下的土壤里，在构成生态系统的动物、昆虫和植物中。 “我认为转移的数量比我们知道的要多，”巴塔查里亚说。 “我们只是看不到他们，因为他们被扫除了。”

线虫是如此之小，以至于它们肠道中的病毒与线虫的生殖道仅相隔几个细胞。

为了检查青蛙携带蛇BovB的情况有多普遍，Kurabayashi 的团队与他们的同事联系，从世界各地获取青蛙样本进行 DNA 测序。他们发现在 149 个物种中，有 50 个携带BovB 。他们测试的 32 只马达加斯加青蛙不到所有采样物种的四分之一，但其中 29 只携带蛇基因——在世界各地发现的所有转移中占明显多数。此外，至少有两个青蛙谱系直到它们的祖先从非洲迁移到马达加斯加之后才获得BovB 。

格雷厄姆说，这篇论文最有趣的地方在于，“它显示了传输速率并不一致。它在地理区域之间差异很大。”如果更多的研究旨在观察全球的基因转移——看看转移是否在不同地方以不同的速度发生——我们的发现可能会让我们感到惊讶。也许地理比我们想象的更重要。

马达加斯加的环境是否使其成为基因转移的热点？没人知道。仓林说，他和他的团队最强烈地怀疑，马达加斯加的蛇BovB与世界其他地方的蛇不同，只是在让自己进入新宿主方面更好一点。

但岛上大量的寄生虫也可能是一个促成因素。例如，“在马达加斯加，有很多水蛭，”德国不伦瑞克理工大学的爬虫学家、这篇新论文的作者Miguel Vences说。 “如果你在雨林里，你会注意到它们。”吸血生物以多种动物为食，包括青蛙和蛇，它们不高于采样人类。 Vences 和他的同事推测，水蛭可能会将含有蛇跳跃基因的血液带入青蛙体内，或者跳跃基因可能已经存在于水蛭自身的基因组中，因为之前与蛇的接触。然后可能是一种身份不明的病毒来完成剩下的工作。

不幸的是，要证明或反驳描述这种横向转移如何发生的场景并不容易。如果没有选择来保存 DNA 序列，它们往往会在很长一段时间内发生突变并被打乱，从而抹去转移的分子证据。格雷厄姆说，如果病毒与转移有关，它可能一开始就留下很少的证据。因此，研究人员可能几乎需要捕捉该行为中的基因跳跃，以了解它是如何发生的。

Bhattacharya 正处于一个旨在做到这一点的项目的早期阶段。在黄石国家公园柠檬水溪的温泉中，他和他的同事正在寻找可能仍在进行中的转移迹象。他们正在研究红藻的 DNA，这些红藻从同样生活在泉水中的细菌中提取了基因，这些基因与原始基因的差异很小。 “我们不是在谈论数百万年前，”巴塔查里亚说。 “我们谈论的是高度相似的 DNA，在相同的环境中共存于两个不同的生命领域。”

如果科学家们发现附近泉水中的藻类缺乏任何这些转移基因，那么他们可能正在目睹一波遗传变化的开始，通过藻类从相邻的一个泉水传播到下一个泉水。每一个新的温泉池都可能是一个处于转型边缘的孤岛。