水平基因轉移(horizontal gene transfer, HGT),又稱側向基因轉移(lateral gene transfer, LGT),是指在差異生物個體之間,或單個細胞內部細胞器之間所進行的遺傳物質的交流。差異生物個體可以是同種但含有不同的遺傳信息的生物個體,也可以是遠緣的,甚至沒有親緣關係的生物個體。單個細胞內部細胞器主要指的是葉綠體粒線體細胞核。水平基因轉移是相對於垂直基因轉移(親代傳遞給子代)而提出的,它打破了親緣關係的界限,使基因流動的可能變得更為複雜。

 

作者:經濟學人 Web Only

基因改造的問題總是層出不窮,各方對於基改也爭論不休,但驚人的是,最新研究顯示,我們人類自己,竟也有從其它物種移轉過來的基因,也就是說,今天的人類全都是「基改人」。

近年來,基因改造作物引起健康和物種倫理的極大爭議。但很令人訝異地,我們人類自己,老早以前就會從其他物種身上盜取基因,換句話說,今天的你我,全都是「基改人」。

基因改造作物的反對者常會說,在物種間移轉基因不合自然。但事實上,只要有機會,大自然界裡,有些基因就自然會從一個物種移到另一個物種身上,這稱作基因水平轉移。基因水平轉移曾被視作低等生物身上的古怪現象,但驚人的是,最新研究顯示,我們人類自己,竟也有從其它物種移轉過來的基因。

劍橋大學克里斯普(Alastair Crisp)和波切蒂(Chiara Boschetti)團隊的研究結果顯示,人類至少有145個基因源自其他物種。的確,人類總計擁有2萬個左右的基因,145個只佔不到1%,但人類身上確實有源自細菌、真菌和海藻的基因,可能還是會讓不少人十分訝異。

克里斯普博士和波切蒂博士不只研究人類,還檢視了9種靈長類、12種果蠅和4種線蟲;後三個群體的研究顯示,自然基因轉移十分普遍。平均來說,線蟲有173個水平轉移基因,果蠅有40個,靈長類有109個。因此,人類的水平轉移基因比靈長類的平均還要多。

許多轉移基因的用途目前仍舊不得而知,不過,部分人類身上的轉移基因,卻也有著驚人的熟悉感。定義了基本血型的ABO抗原系統,可能出自細菌;脂肪及肥胖相關基因,似乎是出自海藻;還有一組與玻尿酸合成有關的基因源自真菌。

研究者總計找到了2個外來胺基酸代謝基因、13個外來脂肪代謝基因,與修改大型分子有關的則有15個。此外,研究者還找到了5個負責製造抗氧化物的外來基因,以及7個屬於免疫系統的基因。

這實在相當驚人,如果基因工程師將類似的東西植入玉米或牛隻,必定會引來嚴重批評;然而在人類身上,它們表現得相當不錯。確實,許多外來基因似乎已經與人類和人類先祖共生了數百萬年,雙方都有足夠的時間調適;不過,曾經有那麼一刻,它們是陌生的外來之物,就像大豆裡的抗除草劑基因。(黃維德編譯)

©The Economist Newspaper Limited 2015

經濟學人英文原文

 

 

 

基因水平轉移

水平基因轉移(horizontal gene transfer, HGT),又稱側向基因轉移(lateral gene transfer, LGT),是指在差異生物個體之間,或單個細胞內部細胞器之間所進行的遺傳物質的交流。差異生物個體可以是同種但含有不同的遺傳信息的生物個體,也可以是遠緣的,甚至沒有親緣關係的生物個體。單個細胞內部細胞器主要指的是葉綠體粒線體細胞核。水平基因轉移是相對於垂直基因轉移(親代傳遞給子代)而提出的,它打破了親緣關係的界限,使基因流動的可能變得更為複雜。

1959年,一系列的文章報導了大腸桿菌(Escherichia coli)的高頻轉導(Hfr)菌株可以將遺傳信息傳遞給特定的鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhimurium)突變菌株。同年,Tomochiro Akiba和Kunitaro Ochiai發現病原菌中的抗性質體,而這一發現直接導致了攜帶抗性的質體可以在不同菌種間轉移現象的發現,這實際上就宣告了野生型菌株間存在著水平基因轉移。然而,水平基因轉移作為一種概念,並不是一開始就伴隨著其現象的發現而出現的。直到20世紀90年代,由於下列原因,人們才逐步使用水平基因轉移的概念來解釋所遇到的水平基因轉移現象,並形成研究熱點。

基因工程生物,特別是基因工程微生物(gene engineered organisms, GEOs, or gene engineered microorganisms, GEMs)的應用,及被釋放到環境中後的安全性問題。抗藥性病原菌的大量出現,許多藥物,特別是抗生素已經不能抑制或殺死原來敏感的病原菌,這已不僅僅是基因突變可解釋的,可能與抗藥性基因的水平轉移有關。已發現基因的轉移不僅僅是發生在細菌之間,而且也發生在細菌與高等生物之間,甚至是高等生物之間。

1 由質體或病毒等介導的水平基因轉移

質體和病毒是在各生物間進行遺傳物質傳遞的重要媒介。細菌中以F質體為媒介的接合作用和以病毒(噬菌體)為媒介的轉導作用是最普通的水平基因轉移,而且這種轉移還不只是發生在細菌之間,還發生在細菌與高等生物之間,例如在土壤微生物中,存在於根土壤桿菌(Agrobacterium tumefaciens)中的200kb Ti質體上的T-DNA基因片段可整合進植物細胞的基因組中。即:根癌土壤桿菌中的T-DNA可轉移到植物細胞核內。T-DNA還可以攜帶一定的外源基因,在植物基因工程中被廣泛地用做基因轉移載體[8]。此外,Ri質體也可以協助遺傳物質在細菌與植物間進行水平基因轉移。

有關細菌與動物細胞間的水平基因轉移,在1991年,Falkow綜合論述了有些特定的細菌屬可以入侵哺乳動物細胞的詳細情況。Patrice Courvalin研究表明,弗氏志賀菌(Shigella flexneri)及E. coli的入侵型菌株以攜帶質體進入哺乳動物細胞,質體並可以整合進基因組中穩定地在子代細胞中表達。

2 基因的「直接」水平轉移

水平基因轉移除了通過質體和病毒為媒介以外,目前大量發現的是不需要媒介的「直接」轉移。1996年,Baur發現在從自然環境中採集的含一定離子的天然水樣中,大腸桿菌可通過其內在調節機制建立自然感受態[12]。能夠在自然環境中「直接」攝取外源DNA,這對原本認為大腸桿菌是不能建立自然感受態的傳統概念是一種挑戰。此外,枯草芽孢桿菌建立自然感受態的能力也早已得到人們的肯定,其基因組上有10多個基因與感受態的建立有關。隨著環境中具有轉化活性的DNA分子及感受態細胞的發現,自然轉化在水平基因轉移中的作用成為人們關注的焦點。所謂自然遺傳轉化是不需要任何媒介的「裸露」DNA分子與自然感受態細胞間相互作用的一種基因轉移方式,可以發生在細菌之間,也可以發生在細菌與其它真核生物之間。因為自然遺傳轉化不需要致育質體和噬菌體作為媒介,甚至不受時空的限制,可以發生在不同的生物之間,所以被認為很可能是水平基因轉移的重要途徑。在這一途徑中,一種新的現象已引起人們的極大興趣,即細菌細胞能主動分泌DNA到環境中,並具有轉化活性,這不僅對傳統的不涉及供體的自然轉化概念提出了新的挑戰,而且也為水平基因轉移的深入研究提供了新的內容。特別近來有報導表明,細菌在逆境條件下形成生物膜(biofilm)的機制與細菌分泌到胞外的DNA密切相關,更引起人們廣泛的關注。

由前可知,無論是在正常條件下,還是在逆境條件下,尤其是後者,細菌主動分泌DNA到環境中和從環境中攝取DNA都得到了有力的證明。如果能夠在逆境條件下,找到細菌主動分泌及攝取DNA的結合點,有利於進一步揭示水平基因轉移的機理。

3 基因組序列分析和水平基因轉移

隨著基因工程的深入開展,人類及其它生物基因組測序工作相繼完成,人們發現不同物種之間,甚至親緣關係很遠的生物之間基因組上有大量同源基因存在。

在三域系統的基因組相互比對中,發現大量存在水平基因轉移現象。海棲熱袍菌MSB8(Thermotoga maritima MSB8)是一種屬於細菌域的嗜熱細菌,在其基因組中含有1872個預測的編碼區,其中有1014個(54%)功能已知。在與古生菌的比對中,發現有24%的基因與古生菌基因相近,即有近1/4的基因來源於古生菌,成為古菌與細菌之間進行側向基因轉移的有力證據。

細菌基因組上含有來自高等生物的基因也有不少報導。如耐放射異常球菌(Deinococcus radiodurans)含有幾個只有在植物中才有的基因;結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)的基因組上至少含有8個來自人類的基因,而且這些基因編碼的蛋白質能幫助細菌逃避宿主的防禦系統,顯然這是結核分枝桿菌通過某種方式從宿主那兒獲得了這些基因為自己的生存服務。

人類基因組測序工作的完成也進一步證實了水平基因轉移的普遍性和遠緣性。在人類基因組上已發現了223個來源於細菌的基因,這些基因無疑是通過水平基因轉移機制獲得的[21]。但在基因轉移的時間上,目前還存在爭議。

除了基因組比對外,人們還對部分蛋白質序列做了比對分析,發現有許多水平基因轉移存在的證據。在細胞色素c的序列比對中認為長須銀柴胡(Stellaria longipes)和鼠耳芥(Arabidopsis thaliana)很有可能與噬菌體之間發生過水平基因轉移[23]。銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)中類似真核磷酸脂酶D(PLDS)的遺傳學和生化分析指出,編碼該酶的基因pldA是通過來自真核的水平基因轉移獲得的。

4 水平基因轉移與進化

由前可知,水平基因轉移實際上已被引入了分子進化及宏觀進化領域,被認為是推動進化的重要動力。在這個意義上,水平基因轉移不僅僅是一個基因轉移的過程,實際上它是一個複雜的多步驟過程。Jonathan將此大致分為6個步驟。首先要被轉移的遺傳物質在供體中進化。當達到某一點時,遺傳物質通過載體(如病毒)或者直接(如接合)或者間接(如轉化)地進行轉移。這些遺傳物質必須獲取能夠在受體中長期存在的形式。不同的轉移和存留方式決定了不同的水平基因轉移類型。被受體接受的遺傳物質在受體群落中廣泛傳播,即使這些遺傳物質的傳播是符合中性法則的,但是自然選擇的壓力會有可能促進這一傳播過程(如抗生素抗性的選擇)。而這一過程對供體和受體的進化都具有影響,最終有可能會產生一個的品系,這被稱之為「改良(amelioration)」過程。

這一過程實際上是漫長而複雜的。這種基因轉移到底發生在什麼時候,目前有兩種觀點。一種認為水平基因轉移發生在遠古時候的早期生命,即單一的共同細胞祖先產生了所有的現代生物;另一種觀點則認為,除了早期生命在進化過程中進行了大量水平基因轉移外,現在的生命,即在物種形成清晰的譜系之後仍能毫無困難地交換基因。水平基因轉移在歷史上的大量證據,使人們有必要對生物進化理論進行重新審視。Doolittle認為許多原本在生物進化理論中基礎的概念都需要經過重新審視。傳統的簡單分支的系統發育樹不能成為表現眾多生物親緣關係的最佳方式,而網路性的或類網狀的系統發育模式才能給予它們恰當的描述。同時,水平基因轉移在微生物進化中還是被認為是一種重要的推動力量。

隨著轉基因生物的商業化過程,轉基因工程的生物安全性逐步受到人們的重視。有研究認為距今20億年至10億年間,發生了大量水平基因轉移的事實。假設這是正確的話,在人為介入水平基因轉移之後,大量穿梭載體及特異人工遺傳物質的出現並釋放到實驗室之外後,是否會出現水平基因轉移的第二次大爆發呢?

在距今20億年至10億年間,三域生物之間發生了大量的水平基因轉移事件。認為現代真核生物的核(nu)來自於古細菌,粒線體(mi)和葉綠體(ch)來自真細菌。同時還發生了許多其它對現代生物影響深遠的水平基因轉移事件(源自Michael Syvanen, 2002)。

近年來,發現自然環境中存在大量具有轉化活性的DNA分子以及能主動攝取外源DNA的感受態細胞,使得人們對環境中發生的水平基因轉移有了新的認識,也必然引起人們對GEMs使用安全性的更深層次的思考。如果說自然環境微生物之間遺傳物質的交流是一種正常的生態平衡系統,或者說是一種極其緩慢的優勝劣汰的進化過程,那麼為了提高農業生產,甚至革新整個農業生產面貌,或治理環境污染,或其它方面的應用,人為地向環境中加入大量的人工構建的GEMs或其它的GEOs,也許是一種加速進化的「人工進化」過程,這個過程的結果是喜是憂?還是二者兼有?目前仍是未解決的問題,也是頗具爭議的問題。水平基因轉移及其產生的生態效應的深入研究,將有助於對GEOs做出新的評價,使得基因工程技術及轉基因生物的應用發揮更輝煌的作用。

 

 

 

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