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“共享”基因物种跨越之谜

2018-10-30 04:59
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  “共享”基因物种跨越之谜

  一对双胞胎

  “共享单车”你或许见得多了,“共享基因”你听说过没有?在我们身体里存在的基因,有可能与蜥蜴、小丑鱼、青蛙、螃蟹,乃至海胆和海鞘这些原始物种相似?事实上,在整个生物进化过程中,物种间的转移是一件经常发生而且再正常不过的事。准备好跟着跳跃基因一起跳进它的世界了吗?

  文、图/广州日报全媒体记者 黄岚

  通讯员张灿城

  最新研究

  物种跨越:

  或为人类进化的新型遗传方式

  “跳跃基因”这个名字很形象,单看字面上的含义,我们很容易理解,这种基因的特性就是“从一个地方‘跳’去另一个地方”。不过这种特殊基因的能耐,绝非我们想象中那样,仅限于在同一物种间“游走”那么简单。

  不久前,在《Genome Biology(基因组生物学)》的科学期刊上,刊登了最新的研究结果,论文通过分析“跳跃基因”在不同生物体基因组中的存在,研究了它在哺乳动物中的可能作用,并由此得出结论——这些跳跃基因的活动促进了哺乳动物的进化,而人就是一种哺乳动物。

  说得明白一点,就是某些基因会神通广大地“跨物种”存在,跳跃基因在哺乳动物、爬行动物、鱼类、两栖动物、节肢动物和原始物种的生物体中,具有极为相似的分布。在这次的研究中,来自阿德莱德大学遗传与进化系的研究人员,还发现了跳跃基因新的横向转移目的地——寄生虫载体,也就是说臭虫、水蛭或者蝗虫之类,都可能与我们拥有相似的基因。除此之外,他们在蝙蝠和青蛙等新的谱系中,也发现了跳跃基因家族成员“BovB”的身影。

  从细菌到人类,实际上,自然界中基因的物种间转移几乎无处不在。跳跃基因就像一名身手灵活的游击队队员,能够在基因组各处移动,有时甚至会插入到其他基因中。所以在过去,它们常常被看作是一无是处的寄生虫,不需要为宿主贡献什么,就可以复制自身并一代一代地传承下去。

  然而科学发展的步伐从未停歇,通过这些年的研究,人类终于发现曾被误认为是“垃圾”的跳跃基因,其实也身兼重任。没有一成不变的生活,也没有一成不变的生命。跳跃基因的存在的意义,就是为人类乃至地球上的各种不同“生命”,增加更多“可能性”。

  专家解惑

  在牛的体内,为何会有蛇的基因?

  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?今时今日,澳大利亚阿德莱德大学的最新研究成果可以解释因果——跳跃基因能够在物种间水平转移。蜱虫的这两口,使蛇体内的某个基因,被“水平转移”到了牛的基因组中固定下来,并流传至今。这便是跳跃基因的“神奇之处”。

  一直以来,我们对于“跳跃基因”,对于因跳跃基因而发生的“物种转移”,知之甚少。就此,记者采访到北京理工大学生命学院谭信教授,一起“解读”这种为生命带来无限“可能性”的特殊基因。

  “跳跃基因的概念,是著名美国遗传学家芭芭拉·麦克林托克在上个世纪40年代提出的,最初它并不被承认,直到上个世纪60~70年代寻找到更多的跳跃基因,这一概念才广泛地被接受,麦克林托克因此获得1983年的诺贝尔生理学和医学奖。”谭信教授告诉记者,跳跃基因的另一个说法叫转座子,不但能够协助病毒传播,还可以借助某些生物进行横向传播。“比如上述例子中,蜱虫吸了蛇血,把蛇的基因带进了自己的体内,如果一些具有蛇基因的蜱虫叮咬牛,就会把蛇的基因传递给了牛。”

  人类会因为跳跃基因的插入破坏正常的基因结构,引起诸如血友病等疾病,这种“转座”一般对生物体是有害的。但谭信教授表示,也有少量的“插入”可能为某些基因带来好处,使带有这种“插入”的个体在自然选择中保留下来,造成生命的进化。

  “同卵双胞胎”,为何性格南辕北辙?

  跳跃基因还有没有其他作用?今年6月,阳明大学脑科学研究所副教授蔡金吾,利用诺贝尔奖的“跳跃基因”技术,应用在大脑发育疾病筛检,找出30多个可能造成大脑发育疾病的基因,成果发表在国际顶尖期刊《Nature Communications(自然通讯)》上。

  来自美国生物研究中心遗传学实验室的研究者表示,生物体胚胎大脑细胞的跳跃基因,同样具有“跳跃”能力,这些细胞最终会成长为大脑神经细胞。即使是由同一对父母所带大的同卵双胞胎,他们的心智功能、行为特征,以及罹患心理或神经衰退疾病的机率也可能会截然不同,这背后的原因之一就是“跳跃基因”。

  “人类基因组中绝大多数的跳跃基因都是沉默的,也可以称之为‘死亡状态’,我们在基因组中看到的成百万的拷贝,基本是以前基因‘跳跃’留下的‘化石’,但也有少量跳跃基因仍然保持转座活性。”谭信教授说,同卵双胞胎最开始的遗传组成完全相同,但在发育过程中由于跳跃基因“蠢蠢欲动”,会造成一对双胞胎的基因组逐渐出现差异,造成他(她)们在心智功能、行为特征及患病的机率的某种差异。

  值得注意的是,在与记忆形成有关的海马神经元的前体细胞中,出现更多保持转座活性的跳跃基因“L1”的拷贝。跳跃基因造成海马神经元“多样性”的结果,或许有助于提高个体的记忆力,但谭信教授同时也表示,这种较强的“跳跃”活动,并不一定总带来好的结果——另有研究发现,精神分裂症患者的大脑前叶有更多的“L1”转座活动;而在我们大脑里的“L1”转座,还可能与孤独症有关。天吉彩票

  庆幸的是,这些关于跳跃基因的研究,都可能为一些神经系统疾病提供新的诊断指标。

  延伸阅读

  “跳跃”

  物种间的“征服战”

  跳跃,是一种动态的改变,也是一种较量与征服。研究者发现,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。为了更好地适应和生存,“跳跃”的本质,就是物种之间的“征服战”。

  不仅仅是在动物界,在植物界中也能发现跳跃基因的“战场”——我们在菜市场所见到的五颜六色的玉米粒,属于天然玉米的一种自然现象,由于跳跃基因“作祟”,让玉米粒出现不同颜色。这种现象其实在生物中很常见,比如说拥有紫色、绿色和红色的葡萄,还用从浅橙到深红颜色的血橙果肉,乃至番茄的各种奇形怪状等等,都与转座子和基因之间的作用有关。

  谭信教授告诉记者,跳跃基因的活动,实际上就是一种物种间自然发生的现象,而且不光是跳跃基因,其他DNA序列都可以通过某种渠道,比如寄生生物和病毒,在物种间进行横向转移。“在人体生存的各种细菌的基因,也会时常进入我们的细胞内。如果能认识到,这种基因转移现象在自然界分分秒秒地发生着,哪怕在我们的基因组中,也存在着数以万计的‘游击队员’,我们对它们就不会恐惧。”

  人类身上共有2万多个基因,找出哪些基因与疾病有关,将有助于提早筛检疾病,甚至发展新的治疗策略。谭信教授表示,跳跃基因的结构和功能的发现,完全有赖于基因组测序技术的发展。“未来或许可以开发出新的药物控制跳跃基因的活性,达到预防和控制疾病的目的。”