在马达加斯加热带雨林中的一片叶子上，小小的金色曼泰拉青蛙身上隐藏着一个秘密，一个与无数种其它青蛙（叉舌蛙、芦蛙等）以及他们的捕食者（蟒蛇和其它种类的蛇）共享的秘密。
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在这个小小的岛国上，许多物种都是特有的，而最近，遗传学家对这些物种的研究得出了一个惊人的发现：该地区许多青蛙基因组中的一个基因BovB，似乎来自于蛇。
在仔细研究了世界各地青蛙和蛇的基因组后，科学家在今年四月于《分子生物学与进化》上发表的一篇论文指出：在世界各地，这种基因以某种方式从蛇向青蛙转移了至少50次。
但在马达加斯加，这种基因转移的频率十分惊人：该地区采样的青蛙物种中至少91%都有它。似乎某些因素的存在导致马达加斯加最终成为这种基因转移的温床。
当长滨生物科学技术研究所的副所长以及最新论文的资深作者（the senior author，可以理解为项目负责人）Atsushi Kurabayashi第一次在青蛙身上看到蛇类版本的基因时，他感到非常困惑。
他向一位专门研究基因组学的同事咨询了这个问题，结果这位同事立刻喊道：“这一定是发生了水平基因转移”——也就是将基因从一个物种转移到另一个物种，而非经典的孩子只能从父母那里获得基因（与水平基因相对，这种模式称为垂直基因转移）。”
尽管更先进基因组测序技术的应用使生物学家们重新评估了这一观点，Kurabayashi最终还是走上了追踪这种罕见的水平基因转移的研究之路。
最新的论文表明，某些地区会发生更加频繁的水平基因转移，这让问题变得更加复杂起来，同时也暗示着研究人员们在寻求水平基因转移的机制时，可能应该超越简单的遗传法则，而更关注物种所处的生态环境。
当前，进行基因组学分析的科研人员们仍在努力探索复杂生物体中发生水平基因转移的常见或罕见程度，但毫无疑问的是，马达加斯加应该成为他们进行研究的焦点地区。
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研究人员怀疑，在马达加斯加的蟒蛇（中）和其它蛇中发现的BovB基因版本可能特别容易发生水平基因转移。彩绘芦蛙（左）和金曼泰拉蛙（右）是获得BovB的众多青蛙中的两种。
当基因徘徊时
水平基因转移在细菌中非常常见，地球上几乎任何环境中都生存着大量的单细胞生物，它们从环境中获取基因就像用绵刷从地上捡起猫毛一样容易。这也是为什么很多细菌都能获得对抗生素的耐药性的原因之一：保护性基因（抗性基因）很容易发生传递，而自然选择能够让耐药细菌获得生存优势并将其基因传递给下一代。
然而，人类、青蛙和蛇等真核生物的细胞是不同的，它们的细胞核就像是保护基因组的堡垒。DNA被小心地卷曲起来并储存在“城堡的图书馆”中，同时细胞还装有故障保险装置，以防止其DNA受损或者修复已经受损的DNA。
然而，涉及到真核生物水平基因转移的例子在不断地进入科学家们的视野。鲱鱼和胡瓜鱼是在北极、北太平洋和北大西洋冰冷海域中生存的（进化上）完全不相关的两种鱼类，然而它们却有着一种完全相同的基因，这种基因编码的蛋白能够防止它们血液的冻结，研究表明，这种基因很可能是从鲱鱼转移到胡瓜鱼中的。
加拿大皇后大学的分子生物学家Laurie Graham和她的同事们在去年报道了这种现象。这一发现在大多数人看来可能有点违反直觉，因此Graham发表这篇论文的时候也比较艰难。
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鲱鱼（上）和胡瓜鱼（下）是两种不相关的冷水鱼，但是由于很久之前发生的水平基因转移，它们都携带有相同的基因，阻止它们的血液在冰冷的海水中冻结。
同样地，法国国家农业、食品和环境研究所的进化生物学家Etienne G.J. Danchin和它的同事正在研究线虫中一套从细菌那获得的酶。另外，根据东卡罗莱纳大学的Jinling Huang及其同事的研究，现在似乎已经有超过100个植物中存在的基因家族在很早之前是从微生物中转移来的。
为什么这些（看似不可能的）水平基因转移被进化所青睐呢？带有鲱鱼蛋白基因的胡瓜鱼血液不会冻结，而线虫从细菌中获得的消化酶则使它们能够从它们所吃的植物细胞中获取更多能量，罗格斯大学的进化生物学家Debashish Bhattacharya和他的学生Julia Van Etten所研究的温泉红藻能够从细菌中获得基因以抵抗极端环境。
所有的这些例子都表明，如果一个基因提高了物种的存活率，那么用不了多久，该种群中带有这种基因的个体及其后代就会占到主导。
然而，并非所有的转移基因都一定会带来优势，BovB是一种众所周知的转座子，它们发生自我复制并能够在基因组周围随机移动。另外，尽管转座子可能对基因组产生深远的影响，但BovB其实并不是具有传统意义上功能的基因，更贴切的说，它只是一段能够发生复制的DNA片段（不具有什么实际功能）。
Kurabayashi指出，虽然不能排除BovB基因使青蛙受益的可能，但更有可能的原因是，BovB在自我复制方面存在的优势导致其能够持续地存在下去。这在一定程度上也解释了为什么当真核生物获得来自其它生物的遗传物质时，里面常常会带有很多像BovB这样的转座子。
真核生物获得来自细菌的基因听上去已经很奇怪了，但更奇怪的是，细菌获得真核生物基因的例子要少很多。出于某些原因，细菌不想要我们的基因。真核基因具有结构特征，因此它们不是细菌演化的完美材料，除此之外也可能有其它我们所不知道的因素存在。
英国哥伦比亚大学生物学家Patrick Keeling说道“也许真核生物没有令细菌感兴趣的基因”。
病毒式传播
与细菌不同，病毒具有从真核宿主中获取基因的真正诀窍。在病毒中，逆转录病毒具有进入宿主细胞和细胞核的工具，它们是将遗传物质插入到宿主基因组的大师。高达8%的人类基因组都是由逆转录病毒的残留物组成的，这些逆转录病毒在很久之前就感染了人类。
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有时基因转移也能以另一种方式进行。根据去年12月发表在《自然·微生物学》上的一篇论文，Keeling以及他的合作者，来自牛津大学的Nicholas Irwin对201种真核生物和108842种病毒之间的水平基因转移进行了首次全面分析。他们发现了超过6700个基因转移的证据，其中，由宿主向病毒的转移事件大约是由病毒向宿主转移的两倍。
由此他们得出结论，水平基因转移是双方进化的主要驱动力：病毒利用它们获得的真核基因来更好的感染宿主，而真核生物有时也使用病毒基因的一部分来形成新的特征或以新的方式调节自身代谢。
这些发现启发了一些生物学家，让他们明白，至少有一些水平基因转移可能受到了病毒的促进。如果病毒既可以从宿主身上获得基因又可以留下它们自身的基因组片段，那么，它们就可能从它们感染的最后一个宿主甚至是几代之前的宿主身上获取基因，然后将这些基因转移给新的宿主。
病毒的参与也有助于解决另一个关于真核生物水平基因转移的难题。为了进行转移，这些基因需要克服一系列的难题：首先它们要从供体物种移到新的宿主物种（即受体物种）身上，然后它们必须进入受体物种的细胞核并将自身纳入到宿主基因组中。但也不是纳入任何细胞的基因组都行得通：在青蛙和鲱鱼等多细胞生物中，体细胞的基因改变不会传递给后代，只有种系细胞——精子或卵细胞发生的遗传改变才能被继承下去。
而病毒的帮助可能会让这一系列事件变得更加容易。Danchin说道，像线虫这样的小生物，它们的生殖道及生殖细胞离肠道并不远，通过食物被摄入的病毒可以在生殖道定居。而青蛙由于会将卵子和精子释放到开阔的水域之中，这些细胞受到病毒侵染的可能性也同样会大大增加。
即使在更大的生物中，这一过程也比想象的要更容易发生。“生殖道充满了微生物和病毒”，Danchin说道：“我们都知道有些病毒会感染生殖道”。
Keeling认为，要理解水平基因转移的奥秘，我们也许应该将生物体行为、生境中其它生物以及环境因素等综合考虑进来。如果一个水平转移的基因带来了生存优势，那么它在很大程度上与基因受体所处的特定场景相关，比如冰冷的海洋、温泉以及难以消化的食物来源（植物细胞）。Keeling表示：“它们与生态紧密相关”“随着环境的改变，当这些转移基因不再有优势时，它们就可能会再次发生丢失”。
生态线索
真核生物钟的水平基因转移可能一直在发生着：在后院的池塘中，在脚下的土壤中，在构成生态系统的动物、昆虫和植物中。“我认为这种转移发生的实际情况可能比我们知道的要多得多”，Bhattacharya说道：“我们只是看不到它们，因为它们被扫地出门了（可以理解为受环境选择而丢失了）”
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线虫体型非常小，它们肠道中的病毒离生殖道可能仅仅隔着几个细胞
似是而非的理由
为了检查青蛙拥有BovB的常见程度，Kurabayashi团队联系了他们的同事，以获取来自世界各地青蛙样本的DNA测序结果。他们发现，在149个物种中，有50个物种带有BovB基因。他们测试的32只马达加斯加青蛙占所有采样物种的不到1/4，却有29只携带这种来自蛇的基因。此外，至少有两个青蛙谱系是当它们的祖先从非洲迁移到马达加斯加之后才获得的BovB基因。
Graham说，这篇论文最有趣的地方在于“水平基因转移发生的频率并不一致，而是因地理区域而异。如果把视线转移到全球范围，去看看在不同地方发生基因转移的频率是不是相同，结果可能会更令人惊讶，也许地理因素比我们想象的要更加重要”。
目前，我们对于马达加斯加的环境如何促进水平基因转移还不得而知。Kurabayashi团队怀疑，马达加斯加蛇的BovB基因与其他地方的版本不同，它们在进入新宿主方面的能力可能更强一些。
岛上丰富的寄生虫也可能是一个促成因素。“马达加斯加地区有很多水蛭”德国布伦瑞克理工大学爬虫学家Miguel Vences说道：“吸血生物以多种动物的血液为食物来源，包括青蛙和蛇”。Vences推测，水蛭可能会将含有蛇BovB基因的血液引入到青蛙体内，或者水蛭本身基因组已经获得了BovB基因，因为它们之前和蛇解除过。然后其它的工作则交给了某种我们不知道的病毒。
然而，证明或反驳这种水平基因转移发生的实际场景并不容易。如果没有自然选择来保护这些DNA序列，在之后的一段时间内，它们存在过的痕迹就会被逐渐抹去。Graham表示，如果是病毒参与了这种转移，它们留下的证据可能会很少。因此，研究人员可能只能通过直接观察到转移事件的发生才能够确定这种转移发生的具体机制。
Bhattacharya正在进行着类似项目的早期阶段。在黄石国家公园柠檬水溪（Lemonade Creek）的温泉中，他和他的同事们正在寻找可能仍在进行中的转移现象。他们正在研究一种红藻的DNA，这些DNA从同样在温泉中生存的细菌那获得，且这些基因与它们的原始版本差异很小。“我们不是在谈论数百万年前发生的事情”“我们讨论的是高度相似的DNA，它们在相同环境中同时存在于两种不同的生命”。
如果科学家们能够发现温泉附近区域中的某些藻类缺乏这些转移基因中的任何一个，那么他们可能就正在目睹这些基因从这个温泉（指柠檬水溪）向周围（其它温泉）进行扩散的过程。
原文链接：
https://www.quantamagazine.org/how-genes-can-leap-from-snakes-to-frogs-20221027/
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作者/捉蝴蝶的猫
审核/莫十二
编辑/果粒珍珍
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