马达加斯加的“转基因工厂”

在青蛙身上发现了蛇的基因发生了什么事其实这是基因的横向转移也不奇怪最近几年来，研究人员发现了许多水平基因转移现象，不仅在细菌等原核生物中，在真核生物中，甚至在植物和昆虫之间，都存在基因跳跃也许这就是生存的智慧

你可能看过很多《共享XX》，但你听说过《共享基因》吗事实上，我们体内的某些基因可能与蜥蜴，青蛙，螃蟹，甚至海胆的基因相似，甚至某些生物体内的基因也是从其他生物体内转移过来的！虽然这样的基因转移让人觉得不可思议，但事实上，物种之间的基因转移是生物进化过程中经常发生的事情在自然界中，遗传物质的传递被称为基因的水平转移

与横向基因转移相比，我们更熟悉另一种基因转移模式:纵向转移父母把自己的遗传物质传给你，再从你传给你的孩子，就会有无尽的子子孙孙这种遗传物质伴伴随着繁殖过程而代代相传，是基因的垂直传递，也是自然界中遗传物质最广泛的传递方式

基因的水平转移是指亲缘关系较近或较远的生物有机体之间遗传信息的转移，它不同于常规的从亲本到后代的垂直基因转移，而是可以跨越种间隔离曾经，跨物种水平基因转移被认为是只发生在微生物之间的罕见事件但得益于测序技术的发展，越来越多的证据表明，这一过程一直贯穿于生命之树的始终，近十年来更多的横向基因转移现象被证实而且这种现象不仅发生在原核生物中，真核生物中也有，两者之间存在横向的基因转移现象水平基因转移的遗传物质除了DNA，还有mRNA ，甚至是整个细胞器

此外，这种现象似乎在马达加斯加比在其他地方发生得更频繁在仔细研究了世界各地青蛙和蛇物种的基因组后，科学家们于2022年4月在《分子生物学与进化》上发表了一篇论文，称这种基因在地球上以某种方式从蛇传播到青蛙至少50次可是，在马达加斯加，这种基因的传播频率惊人:那里91%的青蛙都有这种基因马达加斯加似乎有一种特殊的动机来促进这种基因的流动科学家认为，该基因的水平传播可能在一些地方更频繁地发生，生态环境很可能在这方面发挥了重要作用

自然的转基因艺术

在水平基因转移细菌中很常见原核生物，如细菌，有大小不一的环状裸露DNA，容易发生基因转移特别是在复制的过程中，细菌会复制其他物种的基因来适应环境的变化这也是细菌容易产生抗生素耐药性的原因之一:耐药基因很容易水平传播，当细菌受到抗生素选择性的压力时，具有耐药基因的细菌就会大量繁殖，而没有基因突变的细菌就会死亡，逐渐耐药细菌就会取代原有菌群，成为主要菌群细菌的基因交换如此频繁，以至于一些科学家甚至提出细菌形成了一个与生命相关的网络，而不是每个细菌的分支家谱

真核细胞不同于细菌等原核生物真核生物用堡垒般的细胞核保护自己的基因组在真核生物的细胞核中，DNA会被小心翼翼地盘绕起来，必要时，其中一个基因会被相应的酶叫出来可是，最近几年来，发现了涉及真核生物的水平基因转移的例子例如，2021年3月发表在《遗传学进展》上的一篇论文证实，在北极，北太平洋和北大西洋的冰冷水域中，葫芦巴从同一水域的鲱鱼中获得了该基因，使其血液不冻结，从而能够更好地在冷水中生存

更神奇的是，有时候基因的横向传递会跨越不同物种在动物和植物之间传递2021年3月的《细胞》杂志报道了这一中国科学家经过20年的跟踪研究取得的惊人发现他们发现，迄今为止唯一被联合国粮农组织认定的超级害虫烟粉虱，实际上是通过横向基因转移从植物中获得了一种新基因，并利用这种新基因绕过植物的防御系统，让烟粉虱成功寄生在许多植物上烟粉虱能在全世界范围内兴风作浪，并对许多植物如番茄，黄瓜，豆类，棉花等造成巨大损害的背后原因可能是一样的

从以上研究可以发现，横向基因转移可以帮助不同物种跳过通过突变或重组获得新基因的缓慢过程，加速基因组的创新和进化但是并不是所有新转移的基因都会在生物体中起作用BovB就是一个例子它最早是在奶牛身上发现的，后来证明它在怪异的动物群体之间跳跃，但它并不是传统意义上的功能基因——它只是具有将其DNA位点随意复制到其他位置的能力虽然目前不能排除BovB也可能发挥一些功能来造福青蛙，但更大的可能是BovB由于自身复制能力强，只是通过在不同物种间主动跳跃来保持其持续存在正如《自私的基因》一书中所描述的，BovB基因所做的一切都是为了最大化自己的生存机会这有助于解释为什么当真核生物与其他生物的遗传物质在一起时，像BovB这样的跳跃基因总是参与其中

病毒辅助传播

当你读到这里的时候，你会很好奇水平基因转移在真核生物中是如何发生的遗憾的是，目前具体的水平传递机制还不是很清楚但毕竟横向转移真的发生了，一定有什么因素帮助了基因转移科学家发现，病毒确实是一种可以帮助横向基因转移的工具病毒，尤其是逆转录病毒，具有进入宿主细胞甚至细胞核的能力，它们可以将遗传物质插入宿主的基因组中事实上，我们人类基因组中约有8%的DNA来自病毒，这也是古代人类被病毒感染后留下的片段

另外，病毒实现的横向基因转移是相互的，即不仅宿主会从病毒基因转移中获得新的基因，病毒也会获得宿主的基因2021年12月，发表在《自然微生物学》上的一篇论文首次描述了对201种真核生物和108，842种病毒之间水平基因转移的综合分析他们发现了超过6700个基因转移的证据，其中从宿主到病毒的转移大约是从病毒到宿主的两倍因此，研究人员认为，横向基因转移是双方进化的主要动力病毒获得的真核基因可以更有效地感染宿主，而真核细胞可以通过使用病毒基因获得新的特性

病毒的参与也为真核生物之间的水平基因转移提供了一种可能的解释在真核生物中，转移的基因需要经过一系列障碍首先，它们必须从供体物种到达新的宿主物种然后，它们必须进入宿主物种的细胞核，并在基因组中定居如果想把转移过来的基因传给后代，那就更难了，这就意味着横向转移过来的基因必须插入宿主物种的生殖细胞，比如精子或者卵子病毒的参与会让这个过程变得更有可能对于线虫等小生物来说，它们的生殖道和生殖细胞与肠道非常接近，定居在肠道的病毒很可能会将基因带入生殖细胞青蛙繁殖时，会将卵子和精子释放到水中这些细胞可以通过周围环境中的病毒获得一些新的基因在一些大型生物中，这种水平转移也可能比我们想象的更容易一些病毒专门感染生殖细胞，这将有利于水平基因转移进入生殖细胞

科学家认为，横向基因转移可以看作是一种生物，其他伴生或寄生生物与自然生态环境相互作用的结果基因的横向转移往往给宿主生物提供生存优势，因此这种现象的发生与生物所处的特定环境密切相关但是后天的基因也会伴随着环境的改变而改变当转移的基因不再提供有利的生存条件时，它们也会丢失

生态环境的影响

此外，他们发现至少有两种青蛙品系的BovB基因是在它们的祖先从非洲迁徙到马达加斯加后获得的由此看来，横向基因转移的速度并不平均，在不同的地理环境下差异很大科学家们认为，如果能够做更多的研究来观察全球基因转移现象和不同地区之间基因转移的速度，我们可能会惊讶地发现，地理环境对横向基因转移的影响可能比我们想象的更重要

可是，要捕捉和验证水平基因转移的过程并不容易——DNA序列可能在传递过程中发生突变，以掩盖其身份，抹去其转移的痕迹目前，一个研究小组正在研究美国黄石国家公园的红藻，发现这里的一些温泉红藻从同一地区的细菌中获得了基因，而这些基因的差异非常小如果在黄石国家公园的其他温泉中也能发现没有这种基因的藻类，那就意味着水平基因转移中的过程很可能还没有开始，他们将有机会捕捉到基因转移的过程

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出品:科普中国