在马达加斯加基因怎样从蛇跳到青蛙

一个水平基因转移的热点的发现吸引对寄生虫和生态在这种变化中的可能角色的关注。

GENOMICS

一种起源于蛇中的基因已经反复的跳过物种屏障进入世界各地的青蛙。研究人员正试图来理解为什么马达加斯加比其他任何地方它发生的更频繁。

Fahmi Bhs

ByVeronique Greenwood

Contributing Writer

October 27, 2022

介绍

栖息在雨林的一片叶子上，微小的金色曼特拉青蛙藏有一个秘密。它与马达加斯加岛国的叉舌蛙、芦苇蛙和森林里的无数其它青蛙以及捕食它们的蛇共享这个秘密。在这个岛上，它的许多动物物种在其他地方没有发生，基因学家最近做了一个惊人的发现：散布过青蛙基因组的是一个似乎来自蛇的基因BovB。

在仔细研究世界各地青蛙和蛇的基因组后，科学家们4月份在《分子生物学和进化》的一篇论文中报告了这种基因已经在全世界从蛇到青蛙至少不知怎的旅行了50次。但在马达加斯加，它已经将它自己以惊人的混杂性插入了青蛙： 在那里91%的青蛙有它。似乎某些东西让马达加斯加成为一个超常的让基因来移动进行的地方。

当长滨生物科学与技术研究所的副教授、新论文的资深作者仓林岚第一次在青蛙中看到了蛇版本的基因时他困惑了。他问一位专门研究关于此事的基因组学的同事，这位同事立即喊道，“这一定是水平转移！”------一个基因从一个物种转移到另一个物种，而不是由一个孩子从父母那里继承的垂直基因。

这种爆发发送仓林在一种曾经被认为是极其罕见的现象的跟踪上，尽管更好的基因组测序技术的兴起已经让生物学家重新评估这一意见。这篇新论文显示基因的水平转移可能在某些地方比其他地方更有可能，甚至更复杂这个故事。它提出当寻求对水平转移的解释时，研究人员可能需要看超越简单的基因机制到其中物种生活的生态环境。基因组学家仍在挣扎来理解水平转移在复杂的生物体中有多常见或罕见，但一些地方比如马达加斯加可能对它们是热点。

研究人员怀疑在马达加斯加的蟒蛇（中心）和其它蛇中发现的BovB基因可能特别擅长做出水平转移。涂了的芦苇蛙（左）和金色特拉蛙（右）是众多已经获得了BovB的青蛙中的两种。(from left) Bernard Dupont; reptiles4all; Vladimir Wrangel
当基因徘徊时

水平转移在细菌中是常见的。大量的单细胞生物几乎群集在地球上的每一个缝隙中，从它们的环境拾起基因容易的就像一个棉绒刷拾起猫毛一样。这就是为什么细菌对抗生素的耐药性是普遍存在的原因之一：保护性基因很容易的传递着，而自然选择确保耐药性细菌在竞争中胜过它们的邻居，并将它们的基因传递给下一代。细菌如此容易交换基因以至于一些科学家甚至已经提出细菌形成了一个相关生命的网络，然而人类、青蛙和蛇等真核生物的细胞是不同的。它们的细胞核通常就像是一个保护基因组的堡垒一样。DNA被小心地卷起来并存储在城堡的图书馆中，酶在任何给定的时间只呼叫它们需要来检查的基因。细胞装载有来防止对它的DNA破坏来修复磨损和裂开的故障保险箱。如果基因组像一个无价的发光手稿一样它的图书管理员带着剑。

然而，涉及真核生物的水平基因转移的例子不断地滴进科学文献。鲱鱼和炼鱼是在北极、北太平洋和北大西洋的冰冷水域中游动的不相关的鱼类，精确的有一种相同的防止它们的血液被冻结的蛋白质基因；它很可能是从炼鱼跳到鲱鱼的。加拿大皇后大学的分子生物学家劳里·格雷厄姆和她的同事们去年报告了这一消息；他们的发现是如此反直觉的以至于格雷厄姆很难让这项研究发表。

鲱鱼（顶部）和炼鱼是不相关的冷水鱼，但由于很久以前的水平转移，它们都携带相同的防止它们在冰冷的水中结冰的基因。(from top) Four Oaks; Jack Perks

类似的，法国国家农业、食品和环境研究所的进化生物学家艾蒂安丹钦和他的同事们正在研究线虫从细菌获得的一套酶。东卡罗来纳大学的黄金陵和同事在今年的一篇论文中写道，很久以前就有100多个基因家族出现已经从微生物跃到植物。

为什么进化对这些不可能的转移微笑有美丽的清楚的原因。有不会冻结基因的鱼。线虫的消化酶使它们能够从它们所吃的植物的细胞壁拧出更多的能量。由于从细菌拾起的一簇酶，由进化生物学家德巴希什·巴塔查里亚及其学生茱莉亚·范·埃顿研究的热温泉中的红藻能与原本会杀死它们的物质接触时存活。如果一个基因提高存活率，在第一个生物体的后代来获得它接管之前不会用太长时间。

然而，并不是所有这些徘徊的基因都一定能传输一种优势。BovB是一个著名的转座子，是一种容易围绕基因组随机跳跃的基因物质块。以一种方式它从马达加斯加的蛇跳进青蛙------然而它们发生了------只是比平常奇特的更大跳跃。此外，尽管转座子能对基因组有深远的影响，但BovB不是一个有传统意义上的功能的基因；它只是一点制造它自己的副本的DNA。仓林指出虽然BovB受益了青蛙的可能性不能被排除，但更有可能的是BovB通过它自己自我复制的侵略性成功坚持着。这可能帮助解释为什么当真核生物最终有其它生物体的基因物质时像BovB一样的转座子往往被涉及。

就像真核生物从细菌中拾起基因可能似乎奇怪一样，仍更奇怪的是在另一个方向中水平基因转移的例子是广大的罕见的事实。由于某些原因，细菌不想要我们的基因。真核基因有使它们对细菌是更不完美的细菌物质的结构特征，但可能还有其他的贡献因素。

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

变狂的

与细菌不同，病毒有从它们的真核宿主拾起基因的真的诀窍。病毒特别是那些叫逆转录病毒的病毒有进入一个宿主细胞和细胞核的工具，它们是将基因物质插入宿主基因组的大师。多达8%的人类基因组是由逆转录病毒的残留物构成的，很久以前感染我们物种的历史的片段。

Merrill Sherman/Quanta Magazine

有时转移也走其它途径。在去年12月发表在《自然微生物学》杂志上的一篇论文中，基林、他的合作者牛津大学的尼古拉斯·欧文和他们的同事对201种真核生物和108842种病毒之间的水平基因转移进行了首次全面分析。他们发现了超过6700个基因转移的证据，有宿主到病毒转移大约平常是病毒到宿主转移的两倍。他们得出结论水平基因转移一直是双方进化的主要驱动因素：病毒往往使用它们获得的真核基因来变得更有效感染它们的宿主，而真核生物有时用病毒基因的元素来创建新特性或以新的方式调节它们的新陈代谢。

像这样的发现已经说服了一些生物学家，至少一些水平基因转移可能被病毒促进。如果病毒能从它们的宿主拾起基因，如果它们能留下它们的基因组片段，似乎它们有时也有可能从它们感染的最后一个宿主甚至是几代以前的一个宿主那里转移基因并把它们给一个新的宿主。

病毒的参与也可以帮助解决另一个关于真核生物中水平转移的谜题。为了使转移发生，旅行的基因需要清除整个系列的障碍。首先，它们必须从供体物种获得新的宿主物种。然后它们必须进入细胞核并将它们自己包裹在宿主的基因组中。但只进入任何细胞的基因组不行的：在像青蛙和爬行动物这样的多细胞生物中，一个基因不会被传递给这个动物的后代，除非它能偷偷溜进生殖细胞------一个精子或一个卵子。

病毒可能会使这一系列事件更有可能的。丹钦说，在像线虫这样的小型生物体中，生殖道和它的生殖细胞离肠道不远，在那里摄取食物的病毒能定居。因为青蛙将它们的卵子和精子释放进开阔的水域中，这些细胞潜在的在可以溜进基因的环境中对病毒脆弱的。

丹钦说，甚至对更大的生物可能比你想的更容易。在这一点上，这仍然是一个推测性的想法，但“生殖道中充满了微生物和病毒，我们知道有些病毒会专门感染生殖细胞”。

基林提出为了理解水平基因转移的秘密，也许我们应该把它们想为一个生物体的行为、它的邻居、它的环境的生态后果。他推测到如果一个水平转移的基因能带来任何生存益处，有可能在特定场景其中基因发现它自己的接受者是高度依情况而定的------一个冰冷的海洋、一个温泉、一个有艰难防御的诱人宿主植物。“它们被如此紧密相连到东西是在那里的生态环境”，但它变化，随着在环境中的错误转变，转移的基因“不再有利的，而它丧失了” 。

生态线索

真核生物中的水平基因转移可能一直都在发生：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、昆虫和植物里。巴塔查里亚说，“我认为有比我们知道的更多的转移。我们只是看不到它们，因为它们被扫走了” 。

线虫是如此微小以至于它们肠道中的病毒可能只仅被几个细胞与线虫的生殖道隔开。

特殊原因

为了检查青蛙有蛇BovB有多常见，仓林的团队联系了他们的同事寻找来自世界各地的青蛙样本进行DNA测序。他们发现了在149个物种中有50个带着BovB回来。他们测试的32只马达加斯加青蛙占不到所有取样物种的四分之一，但其中29只携带蛇基因------这显然是世界上发现的所有转移基因的大部分。此外，至少有两种青蛙谱系直到它们的祖先从非洲迁移到马达加斯加后都没有获得BovB。

格雷厄姆说，这份论文最有趣的一点是 “它正在表明转移率不是统一的。它在不同的地理区域中广泛的变化。如果有更多的研究带有观察全球各地的基因转移出发------看基因转移是否在不同的地方以不同的速度发生------我们发现的可能惊讶我们。也许地理位置比我们想的更重要”。

关于马达加斯加的环境有没有使它成为基因转移的一个热点呢？没有人知道。仓林说，他和他的团队最强烈地怀疑马达加斯加的蛇BovB与世界其他地方的版本不同，只是在让它自己进入一个新的宿主上一点稍好。

但岛上丰富的寄生虫也可能是一个贡献因素。例如，德国布劳恩施威格理工大学的爬虫学家也是新论文的作者米格尔·文茨说，“在马达加斯加有很多水蛭，如果你在热带雨林里，你将注意到它们” 。吸血生物以多种动物为食，包括青蛙和蛇，它们不是在采样人类之上的。文特斯和他的同事推测水蛭可能将含有蛇的跳跃基因的血液带进青蛙，或者跳跃基因从它们之前与蛇的接触已经在水蛭自己的基因组中。然后可能一种未识别的病毒做剩下的。

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不幸的是，要证明或反驳描述有多少这样的水平转移可能已经发生的场景是不容易的。没有选择来保存DNA序列，它们往往突变并在长的时间延伸内被混乱，抹去一个转移的分子证据。格雷厄姆说，如果一个病毒参与了转移，它可能首位几乎不留下证据。因此，研究人员可能几乎需要来捕捉一个行动中的基因跳跃来知道它如何正在发生。

巴塔查里亚正处于一个旨在来做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里，他和他的同事们正在寻找可能仍在要占领的过程中的转移迹象。他们正在研究已经从也生活在泉中的细菌拾起基因的红藻的DNA，这些基因与原始的细菌只有很小的不同。巴塔查里亚说，“我们不是正在说数百万年前，我们正在说高度相似的DNA，它在相同的环境中共存于生命的两个不同领域” 。

如果科学家们发现附近泉水中的藻类缺乏这些转移的基因，那么他们可能正在见证通过藻类从一个邻近的泉水到下一个向外移动的基因变化的一个涟漪的开始，每个新的热池都可能是一个濒临的转型的岛屿。

https://www.quantamagazine.org/how-genes-can-leap-from-snakes-to-frogs-20221027/