跳跃的基因（上）

费里斯•贾布尔

基因从一个物种跳跃到另一个物种，这种事比我们想象中要常见。这么说会撼动生命之树吗？

李飞苇下车向四处张望。除了一道陈旧的木栅栏和散布着碎石的湿乎乎的水沟之外，没什么可看。难道这就是那个地方？李飞苇，杜克大学的一位教授， 从北卡罗来纳开车7

小时到达佛罗里达的这个坐标点，来寻找角苔类植物：这是最早一些陆地植物幸存的后代。

他搜寻了整整1小时，一无所获。他心里开始不安，因为这是私人领地，他到这里来未

经许可。他想走，可又不甘心，所以在放弃之前决定换一处搜寻。这一次，在堆满垃圾的水沟里面，他找到了。大多数人很可能把这些直竖的绿色东西误认为草叶，可李教授一眼就认出这是角苔类植物。他将双手伸入泥土挖出这些无根的植物，把它们装入一个塑料的冷却器。这是一包看上去很不起眼的土和草，可是有了它就能谱写植物进化史上的新篇章。很久以前，角苔纲干了一件不该植物干的事：它打破了物种的屏障，与截然不同的蕨类交换了DNA。

在距今3亿至1.3亿年间，随着树和有花植物开始统治地球，一直以来喜爱太阳的蕨类

发现自己被森林密密的树冠圈在了底下。在这样的浓荫下，大多数蕨类消失了，而幸存下

来的那些学会了依靠微弱光线来维持生命。这些顽强拼搏的植物进化出一种分子，叫作新

型色素，能够探测到红光和蓝光，帮助自己向任何光线伸展，想方设法地穿过浓密树叶的遮挡。

DNA 从一个生物体传到另一个通常无关的生物体，而非“垂直地”从父母传给孩子。

新型色素是从哪里来的？长久以来，科学家解答不了这个问题。谁都知道，为新型色素编码的基因只存在于两类相隔数亿年的植物里：蕨类和藻类。这极不可能是同一个祖先遗传下来的基因，却不知怎么会掠过藻类和蕨类之间的所有植物谱系。大约2年前， 李教授在分析一个新型巨大的基因测序时，为一群植物新色素的基因找到了一个几乎完全相同的匹配。之前，没有人知道这些植物有角苔的这种光敏蛋白。通过后来对活标本（就是他在佛罗里达搞到的那些）的DNA 分析，他证实了自己的推测：蕨类不是自身演变出新型色素，而是从角苔那里获取的。

蕨类的生命周期为此提供了一些线索。蕨类有两种独特形态：柔软如羽毛的成年形态和闪亮的心形叶，称为配子体，蕨类在这两种状态中交替变化。配子体的生产和分泌必需精和卵，或者说必须在另一个配子体上找到配子，这样才能生出新的成年蕨类。蕨类的精子和卵子如此暴露，就很容易与角苔类以类似方式排放的精或卵接触。如果两者发现彼此的配子破损或畸形，就会在与同类结合之前穿过破膜彼此交易起DNA 来。

几十年来，科学家已经知道，像细菌和其他微生物这样的原核生物在其D N A 周围缺

少一个保护性的核，一直彼此交换着基因物质。研究人员也记录了无数个病毒穿梭于动物

（包括我们人类在内）基因组的案例。

在过去1 0年里，有一点越来越清楚：这种自由的基因交换不限于微观世界的DNA，同样也发生在动物、菌类和植物的基因之间。这些生物总体被称为真核生物，因为它们的细胞里面都拥有细胞核。蕨类和角苔类之间的这种古老结合，是一系列新发现的水平基因转移实例中最新的例子：DNA 从一个生物体传到另一个通常无关的生物体，而非“垂直地”从父母传给孩子。事实上，在生命史的整个过程中，所有生物之间都发生过水平基因转移，不仅发生在物种之间，还发生在生命的不同王国之间。细菌基因在植物里终结，菌类基因在动物里终结，蛇与蛙的基因进入牛和蝙蝠。这样看起来，每一个现代物种的基因组似乎都是从许多不同生命形式那里借来的基因拼凑而成的嵌合体。

巴西利亚大学生物学家安东尼奥·特谢拉说：“科学家看到的只是巨大冰山之一角。”加拿大新斯科舍戴尔豪斯大学生化学家W. 福特·杜利特尔同意这个观点，他说水平基因转移“比1 0年前我们能够猜想到的要广泛得多，其结果也比我们想象的严重得多”。现在，研究人员已经发现了物种之间、生命王国之间基因转移的许多实例，还有更多的实例等待他们去发现。因此，他们不得不调整自己对进化机制的理解。标准的进化理论不解释复杂生物体从其他物种突然获得基因的可能性，更不用解释这些外来基因如何使一种生物升华或是衰退。这么想这个问题吧：如果现存物种的基因组是伟大的进化之树不同枝条上的花朵，水平基因转移就是一股恶风，它把一处的花粉无情地刮向另一处。

复杂生物体之间水平基因转移的念头最初出现于几十年前。2 0世纪4 0年代，在纽约的冷泉港实验室，芭芭拉·麦克林托克发现玉米的有些基因会从染色体的一个位置冒出并转移到另一个位置。在一个具体的细胞核里面，发生这种转置的程度决定着它彩色斑纹的独特图案。芭芭拉·麦克林托克开拓性的研究首次证明了基因组富有活力，其秩序并不是永远固定不变。

这个概念很难让科学家普遍接受。然而，到了2 0世纪7 0年代，其他研究人员发现了跳跃基因，或者说转座子。科学界终于开始一致称赞芭芭拉· 麦克林托克的工作，她也因此于1 9 8 3年获得了诺贝尔医学与生理学奖。科学家现在知道，转座子极其丰富，常常占去一个基因组的一大半，有的从一条染色体上的一处分离转移到另一处，有的采用拷贝然后粘贴的方法快速增殖。为了实现这些跳跃，转座子依赖两大策略：①包含一个基因序列对转座酶进行编码，转座酶能够从目前位置砍下一个转座子，将其引向别处；②利用一组不同的酶生产RNA 串，并将其转化为DNA，再回归宿主基因组。

P 因子曾戏剧性地说明基因有多大的活力，说明它有多大的潜力无视不同物种DNA 的界线，形成有机体的演变。

在芭芭拉· 麦克林托克辩护期间，科学家在果蝇中偶然发现一个极其突出的转座子。

在亚利桑那州立大学，玛格丽特· 基德韦尔当时正在对实验室环境下养育的雌果蝇用野生

雄果蝇交配。基德韦尔吃惊地发现，她做媒的这对果蝇的后代不育，而且充满有害的基因

突变。

进一步的实验表明，这些变异的根源在于一个转座子，这个转座子后来被命名为P 因

子。在此前5 0年的某个时候，这个移动基因几乎渗透了每个野生果蝇种群。科学家把一些

果蝇种群在实验室封闭了几十年，保护它们未受这种感染。野生果蝇演化出抑制P 因子引发的遗传混沌的策略，而实验室里的种群没有。因此，它们的杂交后代就很脆弱。更为奇怪的是，研究人员发现，P 因子最初是从另一个果蝇种群跳跃到野生种群的。

虽然这两种果蝇生活在相同的区域，但在性上是无法相容的。那么，P 因子是怎样实现这种神奇跳跃的？玛格丽特·基德韦尔的同事玛里琳·胡克怀疑，走私基因的是一种肛厉螨类，通常寄生于两类果蝇上，用其针一般的口器吸吮果蝇卵和幼虫的营养。可以想象，这种寄生虫能把一个果蝇的卵转移到另一个果蝇的卵里去。跟踪研究表明，寄生果蝇的螨的确带有P 因子。

P 因子曾戏剧性地说明基因有多大的活力，说明它有多大的潜力无视不同物种DNA 的

界线，形成有机体的演变。从繁殖方面将实验室培育种群与野生种群隔离开来，部分要靠水平基因转移实现，这是迈向物种形成的一大步。大多数生物学家仍然把昆虫与其他动物之间的水平基因转移视为一种异常现象。诚然，细菌与病毒每天都在交换DNA，可是提到动物、植物和菌类，这样的遗传侵入总体来说相当罕见，在大多数情况下几乎无关紧要。

这正是在过去的十年里，当研究人员找到一个又一个基因转移案例时所阐明的概念。犹他大学的塞德里克· 菲斯奇特说：“有一段时间，我们竟然没能意识到转座子会来自其他物种。现在看来，我们自己的基因组也是由来自不同地方、带着不同背景的遗传原料拼凑成的。在我看来，这有着极其深远的意义，即使最大的真核细胞基因组也有这样的补丁。”

2 1世纪初，塞德里克·菲斯奇特及其同事注意到各种哺乳动物的基因序列中有一些非

同寻常的模式，有些DNA 片段不能与确定的演变关系匹配。比如说，他们会在小鼠和大鼠

的D N A 中找到几乎相同的序列，但是在松鼠身上找不到；相同序列出现在婴猴这种夜间出没的灵长类身上，可其他灵长类物种没有。大鼠、小鼠以及婴猴都不可能独立演变出完全相同的DNA 组块。更为复杂的是，这些淘气的DNA 串不在不同物种相同染色体的相同位置上，而是变化多端。

在生命之树史诗般的历程中，BovB 在物种之间至少跳跃了9 次，似乎从爬行动物转

移到了哺乳类。

2 0 0 8年，塞德里克·菲斯奇特及其同事发现，这些DNA序列并非垂直遗传基因，而是一个普遍的转座子，科学家将其命名为太空入侵者（简称SPIN）。这些太空入侵者除了出现在婴猴和大小鼠的基因组中以外，还想方设法混入马岛猬、小棕蝙蝠、负鼠、绿色变色龙蜥蜴和非洲爪蛙的基因组，然后数千倍地繁殖自己或自己的简略形式，而且大鼠和小鼠把一个SPIN 转座子收为己有，把它变成了功能基因。但是，它到底扮演了什么具体角色至今仍然是一个谜。在过去的3 0 0 0万年里，数个SPIN 渗透了小棕蝙蝠的基因组，复制的倍数极其巨大。这样的扩大与蝙蝠演化史上物种形成最迅速的一个时期正好吻合，但这远不是结论性的证据，无法证明水平基因转移促成了物种的形成。

一种不同的转座子，就是拷贝加粘贴的那一种，也扩散到同样多样化的动物群体里。2 0 1 2年， 阿德莱德大学的大卫· 阿德尔森和阿里· 瓦尔什及其同事在牛身上发现了转座子BovB，在变色龙、负鼠、鸭嘴兽、小袋鼠、马、海胆、桑蚕以及斑马鱼等身上也有。经过传统演变关系进行垂直遗传的观点又一次不能解释转座子偶尔在此偶尔在彼的随意显化。在其生命之树史诗般的旅程中，BovB 在物种之间至少跳跃了9次，似乎从爬行动物转移到了哺乳类。

一个小小的D N A 片段是如何进入那些生境分布差异很大、进化距离很远的生物当中

的呢？比如，从来都未曾遇见对方，更不用提是不是会出现交配的动物？这或许跟一种掌

握了搭便车艺术的生物相关：扁虱。阿德尔森、瓦尔什及其同事在附身于爬行动物的几种扁虱中发现了BovB。与此类似，在发现SPIN几年之后，塞德里克·菲斯奇特及其同事在另外两种生物中再次发现了它们：一种是叫作猎蝽的昆虫，一种是椎实螺。这两种生物和对果蝇卵有独特嗜好的螨类一样，具有把转座子从一个生物传播到另一个生物的潜能。猎蝽靠吸食鸟类、哺乳动物和爬行动物的血液为生，而椎实螺身上携带多种寄生性扁虫，这些扁虫可以感染多种脊椎动物。有证据证明，这两种寄生虫是在过去5 0万年中让SPIN 渗透了如此多不同动物的主谋。

有时候，寄生虫可以向宿主基因组中转移远多于一个基因的遗传信息。跟许多昆虫一

样，嗜凤梨果蝇是一种叫作沃尔巴克氏体的寄生性细菌的根据地，沃尔巴克氏体主要见于

昆虫的性器官中。在一系列基因测序研究中，科学家证实寄生在嗜凤梨果蝇中的沃尔巴克

氏体，向果蝇DNA 中运送了不止1个，而是1 2 0 6个基因。昆虫是地球上数量最多的生物，沃尔巴克氏体能够感染2 5%至7 0%的昆虫，也就意味着沃尔巴克氏体成功进行这种遗传物质重组的范围，可能远远超过果蝇的范围。试想一下，在那些嗡嗡作响、刚毛林立、长着大眼睛的家伙的躯壳当中，或许不是独立的生物，而是两个怪兽

的合体。（待续）