基因水平转移推动进化

参考消息网11月28日报道《日本经济新闻》11月26日报道,生物的遗传基因通常是由父母遗传给孩子。但是,基因也有可能“跳转”到其他生物身上,这给生物进化带来了突破。据说,人类等脊椎动物从细菌中获得的基因是眼球进化的关键。
到了秋天,有时会在河边或池塘边看到螳螂,当它徘徊着潜入水中后,一只细长的生物从螳螂的腹部尖端出现,实际上螳螂的行为正在受到这只寄生的铁线虫的可怕操纵。
铁线虫在水中繁殖,其幼虫会寄生在水生昆虫的幼虫体内。羽化后的水生昆虫被螳螂捕食后,铁线虫又会寄生在螳螂身上。长大后的铁线虫会操纵螳螂,让螳螂为了铁线虫自身的繁殖跳进河流或池塘。这真是一种巧妙的战略,但它究竟是如何操纵螳螂行动的呢?
理化学研究所和京都大学的研究团队在10月发表的研究成果揭开了这一谜团。通过全面分析铁线虫的遗传基因,发现了1300多个与螳螂遗传基因相似的序列。这被认为是一部分螳螂的DNA被铁线虫的DNA捕获的“基因水平转移”。也就是说,遗传基因出现了跨界转移。
铁线虫通过多个基因的水平转移,获得了让螳螂移动身体的“备用钥匙”,以“劫持”螳螂身体的方式实现了操纵行动这一复杂的战略。理研客座研究员三品达平认为:“在大规模基因水平转移中,考虑到遗传基因的进化,这是非常惊人的结果。”
不过,众多遗传基因发生转移的原因依然成谜。三品研究团队正在推进铁线虫DNA的分析,试图阐明大规模水平转移发生的机制。
基因在动物身上发生水平转移虽然少见,但相关的研究报告越来越多。例如,鲱鱼和西太公鱼是进化上亲缘关系较远的鱼类,但其体内防止身体冻结的“抗冻蛋白质”是同一种类。这被认为是鲱鱼的遗传基因向西太公鱼发生基因水平转移的结果。
长滨生物大学等机构的研究小组发现了蛇向青蛙的基因水平转移。寄生虫起到中介作用,从蛇到寄生虫、再从寄生虫到青蛙,很可能发生了遗传基因的水平转移。
有时发生水平转移的基因的功能会发生完全不同的变化,从而催生革命性的进化。美国加利福尼亚大学圣迭戈分校副教授马修·多尔蒂等人在4月发表的一项研究结果声称,在包括人类在内的脊椎动物的眼睛中工作的一个重要基因来自细菌。
脊椎动物的眼睛感知光的机制始于视网膜感光细胞中一种称为视黄醇的物质吸收光后出现的结构变化反应,当视黄醇被运送到视网膜的其他细胞、恢复到原来的结构,就可以再次被感光细胞利用。多尔蒂副教授等人关注到的是与视黄醇运输相关的“IRBP”基因的起源。
在对900多种细菌和脊椎动物的DNA进行详细分析后发现,在脊椎动物的共同祖先诞生的5亿多年前,IRBP的基因就从细菌中转移了过来。IRBP是细菌分解蛋白质的酶。但是,脊椎动物的基因结构发生了变化,失去了酶的功能,却出现了相当于“班车”的运送视黄醇的新功能。
多尔蒂副教授说:“虽然基因水平转移属于罕见事件,但有时会像脊椎动物的视觉一样,带给生物重要的功能。”实际上,在人类基因组被破解之初,就有人指出IRBP可能是从细菌水平转移过来的。之后虽然被认为是细菌DNA的混入,但由于积累了各种生物的高精度数据,从而使得正确的分析成为可能。
除IRBP外,多尔蒂副教授等人还发现了许多具有水平转移可能性的基因,并正就其功能进行探索,目前大部分基因的功能还不清楚。今后仍然会有可能发现基因水平转移在进化中发挥意外作用的事例。