动植物之间竟有相同基因?科学家发现动植物间曾有过基因转移

2020-06-19
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动植物之间竟有相同基因?科学家发现动植物间曾有过基因转移

跨物种之间,但你知道还有跨界的状况吗?科学家找到自然界中极少数动物及植物间 DNA 转移的案例。

美国德州生农研究中心(A&M AgriLife Research)的科学家在最近找到了动植物之间 DNA 转移的案例。研究团队在松树、云杉以及其他松柏科植物中找到一组 DNA 序列,这个序列竟是 3.4 亿年前从昆虫转移到这些植物的祖先身上。

研究团队以火炬松(Loblolly pine)为者要研究对象,这种植物是美国包含德州在内的东南地区的重要的经济作物之一,德州农工大学 Claudio Casola 博士是研究团队一员,他与研究团队开始研究组成火炬松以及其他松柏科植物的大型基因组中各个部分以及来源。此研究近日发表于科学期刊 Genome Biology and Evolution。

跳跃基因造成的基因交换

研究团队将他们所找到的这些 DNA 序列称为「Dryads」,这个名字来自于希腊神话中住在树中专门掌管森林和树木的仙子 Dryad (音译为「德律亚得」) ,而在这项研究中 Dryad 则是用来称呼多种重複的 DNA 序列。

这些特殊的重複 DNA 序列属于跳跃基因(transposable elements,又称跳跃子或转座子),比起一般的基因有着更强複製能力,因此在某些物种中,在基因组中超过一半的比例是由这种跳跃基因所组成,这项实验中所使用的松柏科植物的基因组中便有这样的特性。

像病毒的跳跃基因为数不少

在先前的研究中就发现,跳跃基因能够影响基因的结构以及活性,并且能够塑造出不同的生物特性。例如有着多种不同的颜色葡萄,或者有些番茄外型呈现椭圆形,都和基因组中的跳跃基因有关。由于跳跃基因在松柏科植物的 DNA 中佔了很高的比例,研究跳跃基因对于松柏科植物基因型及表现型的影响就变得格外重要。

Casola 博士将跳跃基因形容为一种「寄生」的基因型态,他们能够像病毒在人类间感染一样去「感染」别的基因组,但和病毒感染不同的是,基因被「感染」虽然很少发生,但是一旦这些跳跃基因成功进入某个基因组中,就无法轻易消除,并且传给子代留存数百万年。

其实跳跃基因这样的形态和病毒的相似性不仅是在于「感染」的模式类似而已,因为有病毒中的反转录病毒科就有将基因嵌入宿主基因的特性,而且这样的病毒并不稀奇,我们熟知能够造成爱滋病的 HIV 病毒就是其中一种。根据以上的原因,在某种程度上来说,许多跳跃基因其实可以归类为一种内生的反转录病毒(endogenous retroviruses,简称 ERVs),早期反转录病毒曾经感染灵长类及其他哺乳类动物的证据之一,就是特定跳跃基因仍然留存在现今的动物基因内。

在我们的基因中,由 ERV 构成的基因佔了超过 8% 的比率,反转录病毒、ERV 以及其他特殊的重複 DNA 序列在生物体内有着类似的複製机制,能够以一条重複的 DNA 序列做为模板製作出许多 RNA 分子,再将这些 RNA 分子转换回等量的 DNA,重新黏合回宿主基因之中。

这种经由製造 RNA 来複製 DNA 的方式称为返座作用(亦称逆转座,retroposition),能够经由这种机制複製的跳跃基因则被称为逆转录因子(retroelements),根据逆转录因子的 DNA 特性还能够将他们细分。

Dryads 如何跑到植物上?

Casola 博士表示,Dryads 是对松柏科植物具有专一性的跳跃基因,同时也是更上层的分类中佩内洛普型逆转录因子(Penelope-like retroelements),但在这项研究之前,佩内洛普型逆转录因子只出现在动物中,直到现在才被发现有些竟然也存在植物中。

研究团队认为 Dryads 是很久以前由佩内洛普型逆转录因子转变进入松柏科植物,为了证明这个假设,科学家计算分析了 1,029 种非动物亦非松柏科植物物种的基因组序列。虽然分析结果最初显示这些物种中有些含有佩内洛普型逆转录因子,但经过更精细的检查之后,研究人员发现那些结果只是因为 DNA 样本受到动物或松柏科植物污染所导致。

除此之外,研究团队还做了许多测试以确认 Dryads 基因并非人工造成,而是从昆虫的佩内洛普型逆转录因子演变而来。测试方法之一即为细胞遗传学研究常用的萤光原位杂合技术(Fluorescence in situ hybridization,FISH),研究人员能够看出 Dryad DNA 序列在火炬松的染色体上的位置。

Dryads 基因虽然出现在松柏科植物上,但更多实验结果显示其他与松柏科植物相近的植物上无法找到 Dryads 基因。这也就显示了大约在 3.4 亿年前,演化过程中松柏科植物开始和其他植物区分出来, Dryads 基因开始出现在松柏科植物祖先中,但 Dryads 基因入侵松柏科植物的原因至今仍不清楚。

跳跃基因也许与耐旱、抗虫特性有关

像 Dryads 基因这样的重複 DNA 序列在基因组中大量複製造成染色体的结构和基因活性的改变,可能对生物产生不良后果。由于大多数的生物在複製重複的 DNA 序列时会将複製的节奏放慢,以减少错误产生,但当外来的 DNA 重複序列嵌入宿主基因后,这个防御机制尚未完备,而新的複製循环已经开始,因而造成这些 DNA 重複序列大量产生。而 Dryads 基因也有同样的特性,在过去 3.4 亿年中大量複製了数以万计的数量,但如今似乎不比从前,活性降低许多。

研究团队认为 Dryads 基因大大改变了我们对于松柏类植物祖先的认识,并且显示了这些植物的 DNA 曾经经历过非常大的变动。接下来的研究将着力于了解松柏类植物染色体及基因中因为 Dryads 的嵌入并大量複製所受到影响。除此之外,Dryads 基因及其他重複 DNA 序列是否是造成火炬松某些特点,例如耐旱性或抗虫特性等,也都是研究团队往后的研究方向。

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