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基因跳跃 物种之间“征服战”

来源:科技日报    发布日期:2018-08-18

 

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   千万年前,当一只蜱虫叮咬了蛇之后,又叮咬了一头牛,这样的偶然事件对进化史产生了怎样的影响?日前,新一期的《基因组生物学》杂志刊登了澳大利亚阿德莱德大学遗传与进化系教授大卫·阿德尔森团队的研究成果,证明在真核生物中两者常见的反转录转座子(跳跃基因中的一种)能够在物种间水平转移。也就是说,蜱虫的这两口使得蛇体内的某个基因,就这样被“水平转移”到了牛的基因组中固定下来,并流传至今。

    也就是说,由于跳跃基因的存在,一个物种的基因在相当长的进化史中是受到其他物种影响的,而蚊虫、蝙蝠等很可能在其中起到媒介传播的作用。

    跳跃基因,这一基因家族中的不安分者是怎么被发现和研究的呢?它的功能在学界至今尚未定论,科学家们又有哪些有益的探索?

    几粒斑点“闪烁”的玉米粒 呈现“时来时走”的基因片段

    1926年建立的摩尔根基因学说认为,基因是稳定的,突变是随机的。这与“稳定遗传”的表现相当一致。所以,当1951年美国冷泉港实验室的女科学家麦克林托克在一次学术会议上公开提出有的基因能够通过“跳进”“跳出”影响功能基因的表达时,当时的学界是闭耳不闻的。

    资料显示,麦克林托克最初在印度彩色玉米中观察到了籽粒和叶片色斑的不稳定遗传现象。为了明确这些颜色“闪烁”的变化是否与基因有关,她年复一年地在田间观察和记录玉米籽粒和叶片颜色发生的变化,并观察这些变化籽粒和叶片的染色体变化。大量表型与遗传物质的规律的归纳总结,让麦克林托克发现了“时来时走”的基因片段。它被形象地称为“跳跃基因”。

    “跳跃基因按照其‘跳跃’机制可以大体分为2类:一种是通过‘复制粘贴’插入另一个位置;一种是通过‘剪切粘贴’进行跳跃。”南昌大学生命科学学院研究员王东解释说,前者通过逆转录的方式复制自己,与逆转录病毒非常相似,其最大特点是编码的多肽有逆转录酶的活性。

    研究发现,哺乳动物体内一般含有几十万量级的跳跃基因。跳跃基因中的一种,存在于哺乳动物基因组中的L1基因,被认为构成了人类17%的基因组,数量大约有50万个。然而数量的庞大并没有让它们更早地被人们了解,例如几乎存在于所有哺乳动物中的L1基因一直以来被认为是“垃圾基因”,由于在正常情况下它是高度甲基化的,甲基化可有效抑制L1的转录,限制其转座活性。甚至它还被认为是有害基因,因为1988年,人们第一次认识到在血友病A的凝血因子Ⅷ基因中发现了两个截短的L1,后来在凝血因子Ⅷ的基因中又发现了一个反转座的L1插入片段。

    上个月《细胞》杂志发表的一篇论文或许让人们开始更好地理解它,相关研究人员发现L1在调控早期胚胎发育中的重要作用——能推动胚胎进入下一个发育阶段。

    几条诡异孤独的红线 揭示基因在物种间水平转移

    如果说种内跳跃的关键问题被集中在“跳跃的作用”上,那么种间的“水平转移”则将关注焦点放在再现历史事件上。

    就像好的侦探能够让尸体和细节说话,阿德尔森团队让759种真核生物的基因组凑在一起“讲故事”,其中便有文章开头提到的情景。“但并不是所有的叮咬都会造成基因的侵入和沉淀。”王东强调,外来基因只有机缘巧合地插入到性细胞的基因组上才有可能被遗传下来。

    在研究过程中,团队通过生物信息分析的方法,以不同物种中L1基因序列为标准进行基因亲缘关系的比对,并绘制进化树。王东介绍:“如果爬行动物(例如蛇)和哺乳动物(例如牛)有相同跳跃基因序列,但是这些序列在其他哺乳动物(例如小鼠和人类)中却没有,那么该序列很可能不是来自共同祖先。”

    阿德尔森表示,团队从RepBase(真核生物的重复序列数据库)中获得原始序列,通过在每个插入的末端寻找复制的位点(TSD)来识别最近的跳跃事件。论文中的示意图用红线和黄线向读者表明,本不应有高度同源性的来自不同物种的跳跃基因中,有一些个例表现出了高度的同源性。正是这些跨越物种的同源性关联揭示了跳跃基因的种间水平转移。

    阿德尔森团队的研究表明,跳跃基因的种间水平转移是无处不在的和广泛的。L1虽然在大多数哺乳动物中存在,但在鸭嘴兽中不存在,这表明L1是在鸭嘴兽的一支分出之后才进入哺乳动物体内,也就弄清了L1进入哺乳动物基因组的时间表,即是在1.6亿—1.91亿年前。他们还发现起源于蛇的BovB占牛和羊基因组的比例至少达到了25%,BovB也存在于臭虫和水蛭等害虫中,因此他们判断吸血生物或者寄生生物是跳跃基因借助的传播载体。

    看似无关联的两段基因 “千里”之外也能相互调控

    一些生物现在的状态很可能是你我进化到某个阶段的“镜子”。“例如有些海藻拥有两个细胞核,而在真核生物中除了细胞核中的染色体拥有遗传物质(DNA)外,线粒体和叶绿体中也存在DNA。”王东说,这些细胞器在进化之前很可能是另一个入侵或者“土著”的“细胞核”。

    研究显示,细胞器和细胞核之间的基因也会发生跳跃,跳跃可能是它们在进化中相互“征服”的一种方式。王东说,相隔遥远无关联的基因可以进行调控,一段基因从A基因组跳跃到B基因组,可能会使得B基因组的某个基因沉默,也很可能是跳跃过去的这段基因被沉默了。这本质上是物种之间的“征服战”。

    美国密歇根大学的一项研究佐证了这一点。该研究发现一种酶可以引起L1跳跃到新位点后的突变,对跳跃基因产生抑制,从而阻止L1随后侵入其他DNA区域。以跳跃基因开战的进化模式,还有待进一步证实。

    与此同时,对跳跃基因的抑制在特定物种中已经表现出来。“水平转移”的研究同时发现,在许多果蝠物种中跳跃基因并不活跃,但其实它们的生活习性使它们更容易受到水平基因转移的影响。因此,科学家推测,蝙蝠似乎在体内发展出了抑制自己体内跳跃基因活性的能力,也因此拥有了能够扮演着宿主角色的能力,将转座子转移到其他物种中。

    尽管受基因跳跃的随机性和概率性影响,跳跃基因对于现今地球上的物种形成产生了多大的影响还不得而知,但可以肯定的是,它与物种进化密切相关。

编辑:蔡思颖
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