在馬達加斯加熱帶雨林中的一片葉子上，小小的金色曼泰拉青蛙身上隱藏着一個秘密，一個與無數種其它青蛙（叉舌蛙、蘆蛙等）以及他們的捕食者（蟒蛇和其它種類的蛇）共享的秘密。
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在這個小小的島國上，許多物種都是特有的，而最近，遺傳學家對這些物種的研究得出了一個驚人的發現：該地區許多青蛙基因組中的一個基因BovB，似乎來自於蛇。
在仔細研究了世界各地青蛙和蛇的基因組後，科學家在今年四月於《分子生物學與進化》上發表的一篇論文指出：在世界各地，這種基因以某種方式從蛇向青蛙轉移了至少50次。
但在馬達加斯加，這種基因轉移的頻率十分驚人：該地區採樣的青蛙物種中至少91%都有它。似乎某些因素的存在導致馬達加斯加最終成為這種基因轉移的溫床。
當長濱生物科學技術研究所的副所長以及最新論文的資深作者（the senior author，可以理解為項目負責人）Atsushi Kurabayashi第一次在青蛙身上看到蛇類版本的基因時，他感到非常困惑。
他向一位專門研究基因組學的同事諮詢了這個問題，結果這位同事立刻喊道：“這一定是發生了水平基因轉移”——也就是將基因從一個物種轉移到另一個物種，而非經典的孩子只能從父母那裡獲得基因（與水平基因相對，這種模式稱為垂直基因轉移）。”
儘管更先進基因組測序技術的應用使生物學家們重新評估了這一觀點，Kurabayashi最終還是走上了追蹤這種罕見的水平基因轉移的研究之路。
最新的論文表明，某些地區會發生更加頻繁的水平基因轉移，這讓問題變得更加複雜起來，同時也暗示着研究人員們在尋求水平基因轉移的機制時，可能應該超越簡單的遺傳法則，而更關注物種所處的生態環境。
當前，進行基因組學分析的科研人員們仍在努力探索複雜生物體中發生水平基因轉移的常見或罕見程度，但毫無疑問的是，馬達加斯加應該成為他們進行研究的焦點地區。
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研究人員懷疑，在馬達加斯加的蟒蛇（中）和其它蛇中發現的BovB基因版本可能特別容易發生水平基因轉移。彩繪蘆蛙（左）和金曼泰拉蛙（右）是獲得BovB的眾多青蛙中的兩種。
當基因徘徊時
水平基因轉移在細菌中非常常見，地球上幾乎任何環境中都生存着大量的單細胞生物，它們從環境中獲取基因就像用綿刷從地上撿起貓毛一樣容易。這也是為什麼很多細菌都能獲得對抗生素的耐藥性的原因之一：保護性基因（抗性基因）很容易發生傳遞，而自然選擇能夠讓耐葯細菌獲得生存優勢並將其基因傳遞給下一代。
然而，人類、青蛙和蛇等真核生物的細胞是不同的，它們的細胞核就像是保護基因組的堡壘。DNA被小心地捲曲起來並儲存在“城堡的圖書館”中，同時細胞還裝有故障保險裝置，以防止其DNA受損或者修復已經受損的DNA。
然而，涉及到真核生物水平基因轉移的例子在不斷地進入科學家們的視野。鯡魚和胡瓜魚是在北極、北太平洋和北大西洋冰冷海域中生存的（進化上）完全不相關的兩種魚類，然而它們卻有着一種完全相同的基因，這種基因編碼的蛋白能夠防止它們血液的凍結，研究表明，這種基因很可能是從鯡魚轉移到胡瓜魚中的。
加拿大皇后大學的分子生物學家Laurie Graham和她的同事們在去年報道了這種現象。這一發現在大多數人看來可能有點違反直覺，因此Graham發表這篇論文的時候也比較艱難。
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鯡魚（上）和胡瓜魚（下）是兩種不相關的冷水魚，但是由於很久之前發生的水平基因轉移，它們都攜帶有相同的基因，阻止它們的血液在冰冷的海水中凍結。
同樣地，法國國家農業、食品和環境研究所的進化生物學家Etienne G.J. Danchin和它的同事正在研究線蟲中一套從細菌那獲得的酶。另外，根據東卡羅萊納大學的Jinling Huang及其同事的研究，現在似乎已經有超過100個植物中存在的基因家族在很早之前是從微生物中轉移來的。
為什麼這些（看似不可能的）水平基因轉移被進化所青睞呢？帶有鯡魚蛋白基因的胡瓜魚血液不會凍結，而線蟲從細菌中獲得的消化酶則使它們能夠從它們所吃的植物細胞中獲取更多能量，羅格斯大學的進化生物學家Debashish Bhattacharya和他的學生Julia Van Etten所研究的溫泉紅藻能夠從細菌中獲得基因以抵抗極端環境。
所有的這些例子都表明，如果一個基因提高了物種的存活率，那麼用不了多久，該種群中帶有這種基因的個體及其後代就會佔到主導。
然而，並非所有的轉移基因都一定會帶來優勢，BovB是一種眾所周知的轉座子，它們發生自我複製並能夠在基因組周圍隨機移動。另外，儘管轉座子可能對基因組產生深遠的影響，但BovB其實並不是具有傳統意義上功能的基因，更貼切的說，它只是一段能夠發生複製的DNA片段（不具有什麼實際功能）。
Kurabayashi指出，雖然不能排除BovB基因使青蛙受益的可能，但更有可能的原因是，BovB在自我複製方面存在的優勢導致其能夠持續地存在下去。這在一定程度上也解釋了為什麼當真核生物獲得來自其它生物的遺傳物質時，裡面常常會帶有很多像BovB這樣的轉座子。
真核生物獲得來自細菌的基因聽上去已經很奇怪了，但更奇怪的是，細菌獲得真核生物基因的例子要少很多。出於某些原因，細菌不想要我們的基因。真核基因具有結構特徵，因此它們不是細菌演化的完美材料，除此之外也可能有其它我們所不知道的因素存在。
英國哥倫比亞大學生物學家Patrick Keeling說道“也許真核生物沒有令細菌感興趣的基因”。
病毒式傳播
與細菌不同，病毒具有從真核宿主中獲取基因的真正訣竅。在病毒中，逆轉錄病毒具有進入宿主細胞和細胞核的工具，它們是將遺傳物質插入到宿主基因組的大師。高達8%的人類基因組都是由逆轉錄病毒的殘留物組成的，這些逆轉錄病毒在很久之前就感染了人類。
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有時基因轉移也能以另一種方式進行。根據去年12月發表在《自然·微生物學》上的一篇論文，Keeling以及他的合作者，來自牛津大學的Nicholas Irwin對201種真核生物和108842種病毒之間的水平基因轉移進行了首次全面分析。他們發現了超過6700個基因轉移的證據，其中，由宿主向病毒的轉移事件大約是由病毒向宿主轉移的兩倍。
由此他們得出結論，水平基因轉移是雙方進化的主要驅動力：病毒利用它們獲得的真核基因來更好的感染宿主，而真核生物有時也使用病毒基因的一部分來形成新的特徵或以新的方式調節自身代謝。
這些發現啟發了一些生物學家，讓他們明白，至少有一些水平基因轉移可能受到了病毒的促進。如果病毒既可以從宿主身上獲得基因又可以留下它們自身的基因組片段，那麼，它們就可能從它們感染的最後一個宿主甚至是幾代之前的宿主身上獲取基因，然後將這些基因轉移給新的宿主。
病毒的參與也有助於解決另一個關於真核生物水平基因轉移的難題。為了進行轉移，這些基因需要克服一系列的難題：首先它們要從供體物種移到新的宿主物種（即受體物種）身上，然後它們必須進入受體物種的細胞核並將自身納入到宿主基因組中。但也不是納入任何細胞的基因組都行得通：在青蛙和鯡魚等多細胞生物中，體細胞的基因改變不會傳遞給後代，只有種系細胞——精子或卵細胞發生的遺傳改變才能被繼承下去。
而病毒的幫助可能會讓這一系列事件變得更加容易。Danchin說道，像線蟲這樣的小生物，它們的生殖道及生殖細胞離腸道並不遠，通過食物被攝入的病毒可以在生殖道定居。而青蛙由於會將卵子和精子釋放到開闊的水域之中，這些細胞受到病毒侵染的可能性也同樣會大大增加。
即使在更大的生物中，這一過程也比想象的要更容易發生。“生殖道充滿了微生物和病毒”，Danchin說道：“我們都知道有些病毒會感染生殖道”。
Keeling認為，要理解水平基因轉移的奧秘，我們也許應該將生物體行為、生境中其它生物以及環境因素等綜合考慮進來。如果一個水平轉移的基因帶來了生存優勢，那麼它在很大程度上與基因受體所處的特定場景相關，比如冰冷的海洋、溫泉以及難以消化的食物來源（植物細胞）。Keeling表示：“它們與生態緊密相關”“隨着環境的改變，當這些轉移基因不再有優勢時，它們就可能會再次發生丟失”。
生態線索
真核生物鐘的水平基因轉移可能一直在發生着：在後院的池塘中，在腳下的土壤中，在構成生態系統的動物、昆蟲和植物中。“我認為這種轉移發生的實際情況可能比我們知道的要多得多”，Bhattacharya說道：“我們只是看不到它們，因為它們被掃地出門了（可以理解為受環境選擇而丟失了）”
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線蟲體型非常小，它們腸道中的病毒離生殖道可能僅僅隔着幾個細胞
似是而非的理由
為了檢查青蛙擁有BovB的常見程度，Kurabayashi團隊聯繫了他們的同事，以獲取來自世界各地青蛙樣本的DNA測序結果。他們發現，在149個物種中，有50個物種帶有BovB基因。他們測試的32隻馬達加斯加青蛙占所有採樣物種的不到1/4，卻有29隻攜帶這種來自蛇的基因。此外，至少有兩個青蛙譜系是當它們的祖先從非洲遷移到馬達加斯加之後才獲得的BovB基因。
Graham說，這篇論文最有趣的地方在於“水平基因轉移發生的頻率並不一致，而是因地理區域而異。如果把視線轉移到全球範圍，去看看在不同地方發生基因轉移的頻率是不是相同，結果可能會更令人驚訝，也許地理因素比我們想象的要更加重要”。
目前，我們對於馬達加斯加的環境如何促進水平基因轉移還不得而知。Kurabayashi團隊懷疑，馬達加斯加蛇的BovB基因與其他地方的版本不同，它們在進入新宿主方面的能力可能更強一些。
島上豐富的寄生蟲也可能是一個促成因素。“馬達加斯加地區有很多水蛭”德國布倫瑞克理工大學爬蟲學家Miguel Vences說道：“吸血生物以多種動物的血液為食物來源，包括青蛙和蛇”。Vences推測，水蛭可能會將含有蛇BovB基因的血液引入到青蛙體內，或者水蛭本身基因組已經獲得了BovB基因，因為它們之前和蛇解除過。然後其它的工作則交給了某種我們不知道的病毒。
然而，證明或反駁這種水平基因轉移發生的實際場景並不容易。如果沒有自然選擇來保護這些DNA序列，在之後的一段時間內，它們存在過的痕迹就會被逐漸抹去。Graham表示，如果是病毒參與了這種轉移，它們留下的證據可能會很少。因此，研究人員可能只能通過直接觀察到轉移事件的發生才能夠確定這種轉移發生的具體機制。
Bhattacharya正在進行着類似項目的早期階段。在黃石國家公園檸檬水溪（Lemonade Creek）的溫泉中，他和他的同事們正在尋找可能仍在進行中的轉移現象。他們正在研究一種紅藻的DNA，這些DNA從同樣在溫泉中生存的細菌那獲得，且這些基因與它們的原始版本差異很小。“我們不是在談論數百萬年前發生的事情”“我們討論的是高度相似的DNA，它們在相同環境中同時存在於兩種不同的生命”。
如果科學家們能夠發現溫泉附近區域中的某些藻類缺乏這些轉移基因中的任何一個，那麼他們可能就正在目睹這些基因從這個溫泉（指檸檬水溪）向周圍（其它溫泉）進行擴散的過程。
原文鏈接：
https://www.quantamagazine.org/how-genes-can-leap-from-snakes-to-frogs-20221027/
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作者/捉蝴蝶的貓
審核/莫十二
編輯/果粒珍珍
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