基因跳躍 物種之間「征服戰」

千萬年前，當一隻蜱蟲叮咬了蛇之後，又叮咬了一頭牛，這樣的偶然事件對進化史產生了怎樣的影響？日前，新一期的《基因組生物學》雜誌刊登了澳大利亞阿德萊德大學遺傳與進化系教授大衛·阿德爾森團隊的研究成果，證明在真核生物中兩者常見的反轉錄轉座子（跳躍基因中的一種）能夠在物種間水平轉移。也就是說，蜱蟲的這兩口使得蛇體內的某個基因，就這樣被「水平轉移」到了牛的基因組中固定下來，併流傳至今。

也就是說，由於跳躍基因的存在，一個物種的基因在相當長的進化史中是受到其他物種影響的，而蚊蟲、蝙蝠等很可能在其中起到媒介傳播的作用。

跳躍基因，這一基因家族中的不安分者是怎麼被發現和研究的呢？它的功能在學界至今尚未定論，科學家們又有哪些有益的探索？

幾粒斑點「閃爍」的玉米粒 呈現「時來時走」的基因片段

1926年建立的摩爾根基因學說認為，基因是穩定的，突變是隨機的。這與「穩定遺傳」的表現相當一致。所以，當1951年美國冷泉港實驗室的女科學家麥克林托克在一次學術會議上公開提出有的基因能夠通過「跳進」「跳出」影響功能基因的表達時，當時的學界是閉耳不聞的。

資料顯示，麥克林托克最初在印度彩色玉米中觀察到了籽粒和葉片色斑的不穩定遺傳現象。為了明確這些顏色「閃爍」的變化是否與基因有關，她年復一年地在田間觀察和記錄玉米籽粒和葉片顏色發生的變化，並觀察這些變化籽粒和葉片的染色體變化。大量表型與遺傳物質的規律的歸納總結，讓麥克林托克發現了「時來時走」的基因片段。它被形象地稱為「跳躍基因」。

「跳躍基因按照其『跳躍』機制可以大體分為2類：一種是通過『複製粘貼』插入另一個位置；一種是通過『剪切粘貼』進行跳躍。」南昌大學生命科學學院研究員王東解釋說，前者通過逆轉錄的方式複製自己，與逆轉錄病毒非常相似，其最大特點是編碼的多肽有逆轉錄酶的活性。

研究發現，哺乳動物體內一般含有幾十萬量級的跳躍基因。跳躍基因中的一種，存在於哺乳動物基因組中的L1基因，被認為構成了人類17%的基因組，數量大約有50萬個。然而數量的龐大並沒有讓它們更早地被人們了解，例如幾乎存在於所有哺乳動物中的L1基因一直以來被認為是「垃圾基因」，由於在正常情況下它是高度甲基化的，甲基化可有效抑制L1的轉錄，限制其轉座活性。甚至它還被認為是有害基因，因為1988年,人們第一次認識到在血友病A的凝血因子Ⅷ基因中發現了兩個截短的L1，後來在凝血因子Ⅷ的基因中又發現了一個反轉座的L1插入片段。

上個月《細胞》雜誌發表的一篇論文或許讓人們開始更好地理解它，相關研究人員發現L1在調控早期胚胎髮育中的重要作用——能推動胚胎進入下一個發育階段。

幾條詭異孤獨的紅線 揭示基因在物種間水平轉移

如果說種內跳躍的關鍵問題被集中在「跳躍的作用」上，那麼種間的「水平轉移」則將關注焦點放在再現歷史事件上。

就像好的偵探能夠讓屍體和細節說話，阿德爾森團隊讓759種真核生物的基因組湊在一起「講故事」，其中便有文章開頭提到的情景。「但並不是所有的叮咬都會造成基因的侵入和沉澱。」王東強調，外來基因只有機緣巧合地插入到性細胞的基因組上才有可能被遺傳下來。

在研究過程中，團隊通過生物信息分析的方法，以不同物種中L1基因序列為標準進行基因親緣關係的比對，並繪製進化樹。王東介紹：「如果爬行動物（例如蛇）和哺乳動物（例如牛）有相同跳躍基因序列，但是這些序列在其他哺乳動物（例如小鼠和人類）中卻沒有，那麼該序列很可能不是來自共同祖先。」

阿德爾森表示，團隊從RepBase（真核生物的重複序列資料庫）中獲得原始序列，通過在每個插入的末端尋找複製的位點（TSD）來識別最近的跳躍事件。論文中的示意圖用紅線和黃線向讀者表明，本不應有高度同源性的來自不同物種的跳躍基因中，有一些個例表現出了高度的同源性。正是這些跨越物種的同源性關聯揭示了跳躍基因的種間水平轉移。

阿德爾森團隊的研究表明，跳躍基因的種間水平轉移是無處不在的和廣泛的。L1雖然在大多數哺乳動物中存在，但在鴨嘴獸中不存在，這表明L1是在鴨嘴獸的一支分出之後才進入哺乳動物體內，也就弄清了L1進入哺乳動物基因組的時間表，即是在1.6億—1.91億年前。他們還發現起源於蛇的BovB占牛和羊基因組的比例至少達到了25%，BovB也存在於臭蟲和水蛭等害蟲中，因此他們判斷吸血生物或者寄生生物是跳躍基因藉助的傳播載體。

看似無關聯的兩段基因 「千里」之外也能相互調控

一些生物現在的狀態很可能是你我進化到某個階段的「鏡子」。「例如有些海藻擁有兩個細胞核，而在真核生物中除了細胞核中的染色體擁有遺傳物質（DNA）外，線粒體和葉綠體中也存在DNA。」王東說，這些細胞器在進化之前很可能是另一個入侵或者「土著」的「細胞核」。

研究顯示，細胞器和細胞核之間的基因也會發生跳躍，跳躍可能是它們在進化中相互「征服」的一種方式。王東說，相隔遙遠無關聯的基因可以進行調控，一段基因從A基因組跳躍到B基因組，可能會使得B基因組的某個基因沉默，也很可能是跳躍過去的這段基因被沉默了。這本質上是物種之間的「征服戰」。

美國密歇根大學的一項研究佐證了這一點。該研究發現一種酶可以引起L1跳躍到新位點後的突變，對跳躍基因產生抑制，從而阻止L1隨後侵入其他DNA區域。以跳躍基因開戰的進化模式，還有待進一步證實。

與此同時，對跳躍基因的抑制在特定物種中已經表現出來。「水平轉移」的研究同時發現，在許多果蝠物種中跳躍基因並不活躍，但其實它們的生活習性使它們更容易受到水平基因轉移的影響。因此，科學家推測，蝙蝠似乎在體內發展出了抑制自己體內跳躍基因活性的能力，也因此擁有了能夠扮演著宿主角色的能力，將轉座子轉移到其他物種中。

儘管受基因跳躍的隨機性和概率性影響，跳躍基因對於現今地球上的物種形成產生了多大的影響還不得而知，但可以肯定的是，它與物種進化密切相關。

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