跳躍的基因（上）

費(fèi)里斯?賈布爾

基因從一個(gè)物種跳躍到另一個(gè)物種，這種事比我們想象中要常見(jiàn)。這么說(shuō)會(huì)撼動(dòng)生命之樹(shù)嗎？

李飛葦下車(chē)向四處張望。除了一道陳舊的木柵欄和散布著碎石的濕乎乎的水溝之外，沒(méi)什么可看。難道這就是那個(gè)地方？李飛葦，杜克大學(xué)的一位教授， 從北卡羅來(lái)納開(kāi)車(chē)7

小時(shí)到達(dá)佛羅里達(dá)的這個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，來(lái)尋找角苔類(lèi)植物：這是最早一些陸地植物幸存的后代。

他搜尋了整整1小時(shí)，一無(wú)所獲。他心里開(kāi)始不安，因?yàn)檫@是私人領(lǐng)地，他到這里來(lái)未

經(jīng)許可。他想走，可又不甘心，所以在放棄之前決定換一處搜尋。這一次，在堆滿(mǎn)垃圾的水溝里面，他找到了。大多數(shù)人很可能把這些直豎的綠色東西誤認(rèn)為草葉，可李教授一眼就認(rèn)出這是角苔類(lèi)植物。他將雙手伸入泥土挖出這些無(wú)根的植物，把它們裝入一個(gè)塑料的冷卻器。這是一包看上去很不起眼的土和草，可是有了它就能譜寫(xiě)植物進(jìn)化史上的新篇章。很久以前，角苔綱干了一件不該植物干的事：它打破了物種的屏障，與截然不同的蕨類(lèi)交換了DNA。

在距今3億至1.3億年間，隨著樹(shù)和有花植物開(kāi)始統(tǒng)治地球，一直以來(lái)喜愛(ài)太陽(yáng)的蕨類(lèi)

發(fā)現(xiàn)自己被森林密密的樹(shù)冠圈在了底下。在這樣的濃蔭下，大多數(shù)蕨類(lèi)消失了，而幸存下

來(lái)的那些學(xué)會(huì)了依靠微弱光線來(lái)維持生命。這些頑強(qiáng)拼搏的植物進(jìn)化出一種分子，叫作新

型色素，能夠探測(cè)到紅光和藍(lán)光，幫助自己向任何光線伸展，想方設(shè)法地穿過(guò)濃密樹(shù)葉的遮擋。

DNA 從一個(gè)生物體傳到另一個(gè)通常無(wú)關(guān)的生物體，而非“垂直地”從父母?jìng)鹘o孩子。

新型色素是從哪里來(lái)的？長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家解答不了這個(gè)問(wèn)題。誰(shuí)都知道，為新型色素編碼的基因只存在于兩類(lèi)相隔數(shù)億年的植物里：蕨類(lèi)和藻類(lèi)。這極不可能是同一個(gè)祖先遺傳下來(lái)的基因，卻不知怎么會(huì)掠過(guò)藻類(lèi)和蕨類(lèi)之間的所有植物譜系。大約2年前， 李教授在分析一個(gè)新型巨大的基因測(cè)序時(shí)，為一群植物新色素的基因找到了一個(gè)幾乎完全相同的匹配。之前，沒(méi)有人知道這些植物有角苔的這種光敏蛋白。通過(guò)后來(lái)對(duì)活標(biāo)本（就是他在佛羅里達(dá)搞到的那些）的DNA 分析，他證實(shí)了自己的推測(cè)：蕨類(lèi)不是自身演變出新型色素，而是從角苔那里獲取的。

蕨類(lèi)的生命周期為此提供了一些線索。蕨類(lèi)有兩種獨(dú)特形態(tài)：柔軟如羽毛的成年形態(tài)和閃亮的心形葉，稱(chēng)為配子體，蕨類(lèi)在這兩種狀態(tài)中交替變化。配子體的生產(chǎn)和分泌必需精和卵，或者說(shuō)必須在另一個(gè)配子體上找到配子，這樣才能生出新的成年蕨類(lèi)。蕨類(lèi)的精子和卵子如此暴露，就很容易與角苔類(lèi)以類(lèi)似方式排放的精或卵接觸。如果兩者發(fā)現(xiàn)彼此的配子破損或畸形，就會(huì)在與同類(lèi)結(jié)合之前穿過(guò)破膜彼此交易起DNA 來(lái)。

幾十年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)知道，像細(xì)菌和其他微生物這樣的原核生物在其D N A 周?chē)?/p>

少一個(gè)保護(hù)性的核，一直彼此交換著基因物質(zhì)。研究人員也記錄了無(wú)數(shù)個(gè)病毒穿梭于動(dòng)物

（包括我們?nèi)祟?lèi)在內(nèi)）基因組的案例。

在過(guò)去1 0年里，有一點(diǎn)越來(lái)越清楚：這種自由的基因交換不限于微觀世界的DNA，同樣也發(fā)生在動(dòng)物、菌類(lèi)和植物的基因之間。這些生物總體被稱(chēng)為真核生物，因?yàn)樗鼈兊募?xì)胞里面都擁有細(xì)胞核。蕨類(lèi)和角苔類(lèi)之間的這種古老結(jié)合，是一系列新發(fā)現(xiàn)的水平基因轉(zhuǎn)移實(shí)例中最新的例子：DNA 從一個(gè)生物體傳到另一個(gè)通常無(wú)關(guān)的生物體，而非“垂直地”從父母?jìng)鹘o孩子。事實(shí)上，在生命史的整個(gè)過(guò)程中，所有生物之間都發(fā)生過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移，不僅發(fā)生在物種之間，還發(fā)生在生命的不同王國(guó)之間。細(xì)菌基因在植物里終結(jié)，菌類(lèi)基因在動(dòng)物里終結(jié)，蛇與蛙的基因進(jìn)入牛和蝙蝠。這樣看起來(lái)，每一個(gè)現(xiàn)代物種的基因組似乎都是從許多不同生命形式那里借來(lái)的基因拼湊而成的嵌合體。

巴西利亞大學(xué)生物學(xué)家安東尼奧·特謝拉說(shuō)：“科學(xué)家看到的只是巨大冰山之一角?！奔幽么笮滤箍粕岽鳡柡浪勾髮W(xué)生化學(xué)家W. 福特·杜利特爾同意這個(gè)觀點(diǎn)，他說(shuō)水平基因轉(zhuǎn)移“比1 0年前我們能夠猜想到的要廣泛得多，其結(jié)果也比我們想象的嚴(yán)重得多”?，F(xiàn)在，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了物種之間、生命王國(guó)之間基因轉(zhuǎn)移的許多實(shí)例，還有更多的實(shí)例等待他們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。因此，他們不得不調(diào)整自己對(duì)進(jìn)化機(jī)制的理解。標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)化理論不解釋復(fù)雜生物體從其他物種突然獲得基因的可能性，更不用解釋這些外來(lái)基因如何使一種生物升華或是衰退。這么想這個(gè)問(wèn)題吧：如果現(xiàn)存物種的基因組是偉大的進(jìn)化之樹(shù)不同枝條上的花朵，水平基因轉(zhuǎn)移就是一股惡風(fēng)，它把一處的花粉無(wú)情地刮向另一處。

復(fù)雜生物體之間水平基因轉(zhuǎn)移的念頭最初出現(xiàn)于幾十年前。2 0世紀(jì)4 0年代，在紐約的冷泉港實(shí)驗(yàn)室，芭芭拉·麥克林托克發(fā)現(xiàn)玉米的有些基因會(huì)從染色體的一個(gè)位置冒出并轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置。在一個(gè)具體的細(xì)胞核里面，發(fā)生這種轉(zhuǎn)置的程度決定著它彩色斑紋的獨(dú)特圖案。芭芭拉·麥克林托克開(kāi)拓性的研究首次證明了基因組富有活力，其秩序并不是永遠(yuǎn)固定不變。

這個(gè)概念很難讓科學(xué)家普遍接受。然而，到了2 0世紀(jì)7 0年代，其他研究人員發(fā)現(xiàn)了跳躍基因，或者說(shuō)轉(zhuǎn)座子?？茖W(xué)界終于開(kāi)始一致稱(chēng)贊芭芭拉· 麥克林托克的工作，她也因此于1 9 8 3年獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)與生理學(xué)獎(jiǎng)?？茖W(xué)家現(xiàn)在知道，轉(zhuǎn)座子極其豐富，常常占去一個(gè)基因組的一大半，有的從一條染色體上的一處分離轉(zhuǎn)移到另一處，有的采用拷貝然后粘貼的方法快速增殖。為了實(shí)現(xiàn)這些跳躍，轉(zhuǎn)座子依賴(lài)兩大策略：①包含一個(gè)基因序列對(duì)轉(zhuǎn)座酶進(jìn)行編碼，轉(zhuǎn)座酶能夠從目前位置砍下一個(gè)轉(zhuǎn)座子，將其引向別處；②利用一組不同的酶生產(chǎn)RNA 串，并將其轉(zhuǎn)化為DNA，再回歸宿主基因組。

P 因子曾戲劇性地說(shuō)明基因有多大的活力，說(shuō)明它有多大的潛力無(wú)視不同物種DNA 的界線，形成有機(jī)體的演變。

在芭芭拉· 麥克林托克辯護(hù)期間，科學(xué)家在果蠅中偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)極其突出的轉(zhuǎn)座子。

在亞利桑那州立大學(xué)，瑪格麗特· 基德韋爾當(dāng)時(shí)正在對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下養(yǎng)育的雌果蠅用野生

雄果蠅交配?；马f爾吃驚地發(fā)現(xiàn)，她做媒的這對(duì)果蠅的后代不育，而且充滿(mǎn)有害的基因

突變。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，這些變異的根源在于一個(gè)轉(zhuǎn)座子，這個(gè)轉(zhuǎn)座子后來(lái)被命名為P 因

子。在此前5 0年的某個(gè)時(shí)候，這個(gè)移動(dòng)基因幾乎滲透了每個(gè)野生果蠅種群?？茖W(xué)家把一些

果蠅種群在實(shí)驗(yàn)室封閉了幾十年，保護(hù)它們未受這種感染。野生果蠅演化出抑制P 因子引發(fā)的遺傳混沌的策略，而實(shí)驗(yàn)室里的種群沒(méi)有。因此，它們的雜交后代就很脆弱。更為奇怪的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，P 因子最初是從另一個(gè)果蠅種群跳躍到野生種群的。

雖然這兩種果蠅生活在相同的區(qū)域，但在性上是無(wú)法相容的。那么，P 因子是怎樣實(shí)現(xiàn)這種神奇跳躍的？瑪格麗特·基德韋爾的同事瑪里琳·胡克懷疑，走私基因的是一種肛厲螨類(lèi)，通常寄生于兩類(lèi)果蠅上，用其針一般的口器吸吮果蠅卵和幼蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)?？梢韵胂?，這種寄生蟲(chóng)能把一個(gè)果蠅的卵轉(zhuǎn)移到另一個(gè)果蠅的卵里去。跟蹤研究表明，寄生果蠅的螨的確帶有P 因子。

P 因子曾戲劇性地說(shuō)明基因有多大的活力，說(shuō)明它有多大的潛力無(wú)視不同物種DNA 的

界線，形成有機(jī)體的演變。從繁殖方面將實(shí)驗(yàn)室培育種群與野生種群隔離開(kāi)來(lái)，部分要靠水平基因轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)，這是邁向物種形成的一大步。大多數(shù)生物學(xué)家仍然把昆蟲(chóng)與其他動(dòng)物之間的水平基因轉(zhuǎn)移視為一種異常現(xiàn)象。誠(chéng)然，細(xì)菌與病毒每天都在交換DNA，可是提到動(dòng)物、植物和菌類(lèi)，這樣的遺傳侵入總體來(lái)說(shuō)相當(dāng)罕見(jiàn)，在大多數(shù)情況下幾乎無(wú)關(guān)緊要。

這正是在過(guò)去的十年里，當(dāng)研究人員找到一個(gè)又一個(gè)基因轉(zhuǎn)移案例時(shí)所闡明的概念。猶他大學(xué)的塞德里克· 菲斯奇特說(shuō)：“有一段時(shí)間，我們竟然沒(méi)能意識(shí)到轉(zhuǎn)座子會(huì)來(lái)自其他物種。現(xiàn)在看來(lái)，我們自己的基因組也是由來(lái)自不同地方、帶著不同背景的遺傳原料拼湊成的。在我看來(lái)，這有著極其深遠(yuǎn)的意義，即使最大的真核細(xì)胞基因組也有這樣的補(bǔ)丁?！?/p>

2 1世紀(jì)初，塞德里克·菲斯奇特及其同事注意到各種哺乳動(dòng)物的基因序列中有一些非

同尋常的模式，有些DNA 片段不能與確定的演變關(guān)系匹配。比如說(shuō)，他們會(huì)在小鼠和大鼠

的D N A 中找到幾乎相同的序列，但是在松鼠身上找不到；相同序列出現(xiàn)在嬰猴這種夜間出沒(méi)的靈長(zhǎng)類(lèi)身上，可其他靈長(zhǎng)類(lèi)物種沒(méi)有。大鼠、小鼠以及嬰猴都不可能獨(dú)立演變出完全相同的DNA 組塊。更為復(fù)雜的是，這些淘氣的DNA 串不在不同物種相同染色體的相同位置上，而是變化多端。

在生命之樹(shù)史詩(shī)般的歷程中，BovB 在物種之間至少跳躍了9 次，似乎從爬行動(dòng)物轉(zhuǎn)

移到了哺乳類(lèi)。

2 0 0 8年，塞德里克·菲斯奇特及其同事發(fā)現(xiàn)，這些DNA序列并非垂直遺傳基因，而是一個(gè)普遍的轉(zhuǎn)座子，科學(xué)家將其命名為太空入侵者（簡(jiǎn)稱(chēng)SPIN）。這些太空入侵者除了出現(xiàn)在嬰猴和大小鼠的基因組中以外，還想方設(shè)法混入馬島猬、小棕蝙蝠、負(fù)鼠、綠色變色龍蜥蜴和非洲爪蛙的基因組，然后數(shù)千倍地繁殖自己或自己的簡(jiǎn)略形式，而且大鼠和小鼠把一個(gè)SPIN 轉(zhuǎn)座子收為己有，把它變成了功能基因。但是，它到底扮演了什么具體角色至今仍然是一個(gè)謎。在過(guò)去的3 0 0 0萬(wàn)年里，數(shù)個(gè)SPIN 滲透了小棕蝙蝠的基因組，復(fù)制的倍數(shù)極其巨大。這樣的擴(kuò)大與蝙蝠演化史上物種形成最迅速的一個(gè)時(shí)期正好吻合，但這遠(yuǎn)不是結(jié)論性的證據(jù)，無(wú)法證明水平基因轉(zhuǎn)移促成了物種的形成。

一種不同的轉(zhuǎn)座子，就是拷貝加粘貼的那一種，也擴(kuò)散到同樣多樣化的動(dòng)物群體里。2 0 1 2年， 阿德萊德大學(xué)的大衛(wèi)· 阿德?tīng)柹桶⒗铩?瓦爾什及其同事在牛身上發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)座子BovB，在變色龍、負(fù)鼠、鴨嘴獸、小袋鼠、馬、海膽、桑蠶以及斑馬魚(yú)等身上也有。經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)演變關(guān)系進(jìn)行垂直遺傳的觀點(diǎn)又一次不能解釋轉(zhuǎn)座子偶爾在此偶爾在彼的隨意顯化。在其生命之樹(shù)史詩(shī)般的旅程中，BovB 在物種之間至少跳躍了9次，似乎從爬行動(dòng)物轉(zhuǎn)移到了哺乳類(lèi)。

一個(gè)小小的D N A 片段是如何進(jìn)入那些生境分布差異很大、進(jìn)化距離很遠(yuǎn)的生物當(dāng)中

的呢？比如，從來(lái)都未曾遇見(jiàn)對(duì)方，更不用提是不是會(huì)出現(xiàn)交配的動(dòng)物？這或許跟一種掌

握了搭便車(chē)藝術(shù)的生物相關(guān)：扁虱。阿德?tīng)柹?、瓦爾什及其同事在附身于爬行?dòng)物的幾種扁虱中發(fā)現(xiàn)了BovB。與此類(lèi)似，在發(fā)現(xiàn)SPIN幾年之后，塞德里克·菲斯奇特及其同事在另外兩種生物中再次發(fā)現(xiàn)了它們：一種是叫作獵蝽的昆蟲(chóng)，一種是椎實(shí)螺。這兩種生物和對(duì)果蠅卵有獨(dú)特嗜好的螨類(lèi)一樣，具有把轉(zhuǎn)座子從一個(gè)生物傳播到另一個(gè)生物的潛能。獵蝽靠吸食鳥(niǎo)類(lèi)、哺乳動(dòng)物和爬行動(dòng)物的血液為生，而椎實(shí)螺身上攜帶多種寄生性扁蟲(chóng)，這些扁蟲(chóng)可以感染多種脊椎動(dòng)物。有證據(jù)證明，這兩種寄生蟲(chóng)是在過(guò)去5 0萬(wàn)年中讓SPIN 滲透了如此多不同動(dòng)物的主謀。

有時(shí)候，寄生蟲(chóng)可以向宿主基因組中轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)多于一個(gè)基因的遺傳信息。跟許多昆蟲(chóng)一

樣，嗜鳳梨果蠅是一種叫作沃爾巴克氏體的寄生性細(xì)菌的根據(jù)地，沃爾巴克氏體主要見(jiàn)于

昆蟲(chóng)的性器官中。在一系列基因測(cè)序研究中，科學(xué)家證實(shí)寄生在嗜鳳梨果蠅中的沃爾巴克

氏體，向果蠅DNA 中運(yùn)送了不止1個(gè)，而是1 2 0 6個(gè)基因。昆蟲(chóng)是地球上數(shù)量最多的生物，沃爾巴克氏體能夠感染2 5%至7 0%的昆蟲(chóng)，也就意味著沃爾巴克氏體成功進(jìn)行這種遺傳物質(zhì)重組的范圍，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)果蠅的范圍。試想一下，在那些嗡嗡作響、剛毛林立、長(zhǎng)著大眼睛的家伙的軀殼當(dāng)中，或許不是獨(dú)立的生物，而是兩個(gè)怪獸

的合體。（待續(xù)）