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天然“转基因”,比你想得更普遍

生物将遗传物质传递给其他细胞而非其子代的过程称为基因水平转移(horizontal gene transfer,HGT),这种现象在细菌和单细胞真核生物中十分常见,它在这些生物的演化中起到了重要作用。然而,在多细胞生物中,关于基因水平转移现象的记录较少,有报道的动物基因水平转移也只涉及单个或几个基因。看起来这种现象在动物中似乎不常发生。不过最近,剑桥大学的研究者通过对26种动物的基因组和转录组进行深入分析,发现基因水平转移在多细胞生物中也普遍存在,并且这些水平转移的基因多与生物的代谢相关[1]。研究论文于3月13日发表在开放获取期刊《基因组生物学》(Genome Biology)上。

为了了解多细胞生物中基因转移的情况,研究者选择了已有高质量基因组和转录组的12种果蝇属(Drosophila)生物、4种隐杆线虫属(Caenorhabditis)生物和10种灵长目(Primates)动物。通过对比分析,研究者发现这些生物的基因组中存在多达上百个“外来”基因。此外在人类基因组中,多达145个基因为基因水平转移的结果,这其中包括透明质酸合成酶基因、肥胖基因FTO以及ABO血型基因。

与原核生物相似,这些多细胞生物的水平转移基因的表达产物多为酶类。研究者对这些基因的功能进行了分析,发现其产物包括几大类功能,包括非特异性免疫反应、脂类代谢、氨基酸代谢、大分子修饰、抗氧化活性以及应激反应。

那么,这些基因源自何处呢?通过将水平转移的基因与各种单细胞生物的基因相比对分析,研究者发现这些基因大多来自细菌和原生生物,其他还有古菌、真菌和植物。

生物体内水平转移的基因的来源。图片来源:研究论文

为了确定这些基因的转移是发生在某一阶段,还是贯穿了某个物种的整个演化过程,研究者将这些基因水平转移事件标记在了系统发生树上。结果发现,对果蝇属和隐杆线虫属的生物来说,基因水平转移在其整个演化过程中很可能都一直在发生;而灵长目动物的大多数基因水平转移事件,则发生在它们的共同祖先身上,即较远古的时期。研究者进一步对另外14种脊椎动物的基因组进行了分析,分别找到了60到240个外来基因——这意味着基因水平转移并非仅限于某些物种,而是普遍存在的。

有意思的是,研究者发现从整体上看,脊椎动物和无脊椎动物中发生基因水平转移的情况并无明显差异。考虑到这两类生物复杂性的差别,这一现象似乎有些出人意料。不过这可能也可以解释,为什么灵长目动物的大多数基因水平转移事件发生在较远古时期——脊椎动物的基因水平转移可能发生在其演化的早期阶段。

研究者认为,现在基因组数据库中有了越来越多物种的基因组,尤其是多细胞生物的高质量基因组序列,而这对研究基因水平转移非常重要。研究者提出,多细胞生物体内存在的“外来”基因,除了来自基因水平转移以外,也可能是由于原本在同一门生物中,通过传统方式遗传的基因,在大多数物种演化的过程中丢失,仅在某些物种中保留了下来。未来进一步如果有更多地多细胞生物的高质量基因组和转录组信息,将能让科学家们更好地验证这些推测。(编辑:球藻怪)

参考文献:

  1. Crisp, Alastair, et al. "Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes." Genome biology 16.1 (2015): 50.

文章题图:drwile.com

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发布于2015-03-24, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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IvyP

果壳作者,生物物理学硕士

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