祖先or兄弟？人類基因中隱藏著演化的第三種可能性

出品：科普中國

作者：王錦鴻（中國科學(xué)院微生物研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

在進化樹上，有些物種是我們?nèi)祟惖摹白嫦取?，比如古猿，或是更早的始祖獸乃至原始真核動物，沒有它們就沒有我們。另一些物種是我們的“兄弟”，它們與我們有著共同的祖先，但在演化中分道揚鑣，變成了不同的樣子。

然而，在演化中是否也存在著第三種可能，就像“老師”或是“鄰居”一樣，雖然和我們沒有直接的親緣關(guān)系，但也會在我們的成長道路上留下一抹印跡。也就是說，離我們更近的祖先在與其他生物的共生和交流過程中，從其他生物那里獲得了某些基因和性狀，一直留存到現(xiàn)在，甚至?xí)蔀槲覀冑囈陨娴哪芰Γ?/p>

當(dāng)然有。

博物館里的“露西古猿”

（圖片來源：截自wiki圖片）

2001年，當(dāng)宏偉的人類基因組計劃宣告完成之后，科學(xué)家們通過對現(xiàn)代人基因組序列的分析得出了一個令許多人驚訝的結(jié)論：在根據(jù)基因組預(yù)測的兩萬余人類基因中，約有200個基因和已經(jīng)被鑒定的細菌基因十分相似，這些基因好像是來源于細菌的。

由于當(dāng)時的基因組測序技術(shù)還不完善，這個發(fā)現(xiàn)被一些科學(xué)家解釋為實驗樣品被細菌污染。在之后的二十余年內(nèi)，隨著測序成本越來越低，人類基因組測序因為不同的研究目的被重復(fù)了很多次，綜合比較后，仍然有許多與細菌類似的基因無法被解釋為樣品污染。

基因組測序

（圖片來源：veer圖庫）

加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物化學(xué)家Matthew Daugherty和同事們關(guān)注并研究了這一問題，他們使用計算機軟件，通過在其他物種中搜索類似的序列，來追蹤數(shù)百個人類基因的進化。研究中重點關(guān)注了在早期動物中沒有發(fā)現(xiàn)而“突然”出現(xiàn)在脊椎動物基因組內(nèi)（表明不是直接演化而來的），并且在現(xiàn)代微生物中能找到相似序列的基因。

在他們篩選到的數(shù)十個潛在的脊椎動物“外來基因”中，有一個基因是IRBP，編碼的是光受體間類視黃醇結(jié)合蛋白，該蛋白分布于視網(wǎng)膜和視網(wǎng)膜色素上皮之間的空間中，在包括人在內(nèi)的脊椎動物的視覺形成中不可或缺。

眼球結(jié)構(gòu)中，視網(wǎng)膜（retina）有感受光刺激等作用

（圖片來源：wiki）

這樣一種重要的基因存在于所有脊椎動物中，但通常不存在于其親緣關(guān)系最近的無脊椎動物中，反倒和細菌中的肽酶基因非常類似。

為什么會這樣呢？

Daugherty和他的同事提出，5億多年前，微生物將肽酶基因轉(zhuǎn)移到了脊椎動物的共同祖先中，脊椎動物進化一段時間后，其自身發(fā)生的一些突變使肽酶基因變?yōu)镮RBP，還參與組成了脊椎動物的視覺系統(tǒng)。

該觀點的另一個佐證是，生理學(xué)家們早已發(fā)現(xiàn)脊椎動物的視覺器官是“另起爐灶”，與其他生物的視覺機制演化路線都不相同的，這其中可能就有細菌肽酶的貢獻。

其實，在Daugherty之前，已經(jīng)有許多科學(xué)家研究過生物之間發(fā)生水平基因交流現(xiàn)象和機制了。

人類基因組中的內(nèi)源性逆轉(zhuǎn)錄病毒序列，是人與古老病毒斗爭的印跡；細菌和古菌中與許多病毒同源的CRISPR array序列，發(fā)展出獲2020年諾貝爾化學(xué)獎的CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)；農(nóng)桿菌將自己的Ti質(zhì)粒插入植物基因組的能力，幾乎成為當(dāng)今對高等植物進行遺傳操作的必由之路。

（圖片來源：veer圖庫）

但正如馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)院基因組科學(xué)研究所的基因組生物學(xué)家Julie Dunning Hotopp評價的那樣，Daugherty的研究揭示了物種之間不僅可以進行水平基因轉(zhuǎn)移，這種水平轉(zhuǎn)移的基因還可能在新的物種中生根發(fā)芽，在長期的進化中使物種獲得新的能力或增強他們的現(xiàn)有能力。

如同我們?nèi)祟惖纳鐣P(guān)系一樣，生物不僅僅有“長輩”和“親戚”，也有“老師”“朋友”“陌生人”等。將基因視角下的生物進化理解為“樹”，細看來或許是不精準(zhǔn)的，早已分道揚鑣的樹枝之間也可以搭起網(wǎng)絡(luò)，在基因的水平交流中更加茁壯成長。

相信未來會有更多的科學(xué)家在這棵“樹”上找到更多隱藏著的“網(wǎng)絡(luò)”，而這些網(wǎng)絡(luò)也會解答人類藏在基因里的更多秘密。

參考文獻：

【1】Kalluraya C A, Weitzel A J, Tsu B V, et al. Bacterial origin of a key innovation in the evolution of the vertebrate eye[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023, 120(16): e2214815120.