動植物之間竟有相同基因?科學家發現動植物間曾有過基因轉移

作者 | 發布日期 2016 年 05 月 07 日 0:01 | 分類 生物科技 follow us in feedly

跨物種之間,但你知道還有跨界的狀況嗎?科學家找到自然界中極少數動物及植物間 DNA 轉移的案例。



美國德州生農研究中心(A&M AgriLife Research)的科學家在最近找到了動植物之間 DNA 轉移的案例。研究團隊在松樹、雲杉以及其他松柏科植物中找到一組 DNA 序列,這個序列竟是 3.4 億年前從昆蟲轉移到這些植物的祖先身上。

研究團隊以火炬松(Loblolly pine)為者要研究對象,這種植物是美國包含德州在內的東南地區的重要的經濟作物之一,德州農工大學 Claudio Casola 博士是研究團隊一員,他與研究團隊開始研究組成火炬松以及其他松柏科植物的大型基因組中各個部分以及來源。此研究近日發表於科學期刊 Genome Biology and Evolution。

 

跳躍基因造成的基因交換

研究團隊將他們所找到的這些 DNA 序列稱為「Dryads」,這個名字來自於希臘神話中住在樹中專門掌管森林和樹木的仙子 Dryad (音譯為「德律亞得」) ,而在這項研究中 Dryad 則是用來稱呼多種重複的 DNA 序列。

這些特殊的重複 DNA 序列屬於跳躍基因(transposable elements,又稱跳躍子或轉座子),比起一般的基因有著更強複製能力,因此在某些物種中,在基因組中超過一半的比例是由這種跳躍基因所組成,這項實驗中所使用的松柏科植物的基因組中便有這樣的特性。

 

像病毒的跳躍基因為數不少

在先前的研究中就發現,跳躍基因能夠影響基因的結構以及活性,並且能夠塑造出不同的生物特性。例如有著多種不同的顏色葡萄,或者有些番茄外型呈現橢圓形,都和基因組中的跳躍基因有關。由於跳躍基因在松柏科植物的 DNA 中佔了很高的比例,研究跳躍基因對於松柏科植物基因型及表現型的影響就變得格外重要。

Casola 博士將跳躍基因形容為一種「寄生」的基因型態,他們能夠像病毒在人類間感染一樣去「感染」別的基因組,但和病毒感染不同的是,基因被「感染」雖然很少發生,但是一旦這些跳躍基因成功進入某個基因組中,就無法輕易消除,並且傳給子代留存數百萬年。

其實跳躍基因這樣的形態和病毒的相似性不僅是在於「感染」的模式類似而已,因為有病毒中的反轉錄病毒科就有將基因嵌入宿主基因的特性,而且這樣的病毒並不稀奇,我們熟知能夠造成愛滋病的 HIV 病毒就是其中一種。根據以上的原因,在某種程度上來說,許多跳躍基因其實可以歸類為一種內生的反轉錄病毒(endogenous retroviruses,簡稱 ERVs),早期反轉錄病毒曾經感染靈長類及其他哺乳類動物的證據之一,就是特定跳躍基因仍然留存在現今的動物基因內。

在我們的基因中,由 ERV 構成的基因佔了超過 8% 的比率,反轉錄病毒、ERV 以及其他特殊的重複 DNA 序列在生物體內有著類似的複製機制,能夠以一條重複的 DNA 序列做為模板製作出許多 RNA 分子,再將這些 RNA 分子轉換回等量的 DNA,重新黏合回宿主基因之中。

這種經由製造 RNA 來複製 DNA 的方式稱為返座作用(亦稱逆轉座,retroposition),能夠經由這種機制複製的跳躍基因則被稱為逆轉錄因子(retroelements),根據逆轉錄因子的 DNA 特性還能夠將他們細分。

 

Dryads 如何跑到植物上?

Casola 博士表示,Dryads 是對松柏科植物具有專一性的跳躍基因,同時也是更上層的分類中佩內洛普型逆轉錄因子(Penelope-like retroelements),但在這項研究之前,佩內洛普型逆轉錄因子只出現在動物中,直到現在才被發現有些竟然也存在植物中。

研究團隊認為 Dryads 是很久以前由佩內洛普型逆轉錄因子轉變進入松柏科植物,為了證明這個假設,科學家計算分析了 1,029 種非動物亦非松柏科植物物種的基因組序列。雖然分析結果最初顯示這些物種中有些含有佩內洛普型逆轉錄因子,但經過更精細的檢查之後,研究人員發現那些結果只是因為 DNA 樣本受到動物或松柏科植物污染所導致。

除此之外,研究團隊還做了許多測試以確認 Dryads 基因並非人工造成,而是從昆蟲的佩內洛普型逆轉錄因子演變而來。測試方法之一即為細胞遺傳學研究常用的螢光原位雜合技術(Fluorescence in situ hybridization,FISH),研究人員能夠看出 Dryad DNA 序列在火炬松的染色體上的位置。

Dryads 基因雖然出現在松柏科植物上,但更多實驗結果顯示其他與松柏科植物相近的植物上無法找到 Dryads 基因。這也就顯示了大約在 3.4 億年前,演化過程中松柏科植物開始和其他植物區分出來, Dryads 基因開始出現在松柏科植物祖先中,但 Dryads 基因入侵松柏科植物的原因至今仍不清楚。

 

跳躍基因也許與耐旱、抗蟲特性有關

像 Dryads 基因這樣的重複 DNA 序列在基因組中大量複製造成染色體的結構和基因活性的改變,可能對生物產生不良後果。由於大多數的生物在複製重複的 DNA 序列時會將複製的節奏放慢,以減少錯誤產生,但當外來的 DNA 重複序列嵌入宿主基因後,這個防禦機制尚未完備,而新的複製循環已經開始,因而造成這些 DNA 重複序列大量產生。而 Dryads 基因也有同樣的特性,在過去 3.4 億年中大量複製了數以萬計的數量,但如今似乎不比從前,活性降低許多。

研究團隊認為 Dryads 基因大大改變了我們對於松柏類植物祖先的認識,並且顯示了這些植物的 DNA 曾經經歷過非常大的變動。接下來的研究將著力於了解松柏類植物染色體及基因中因為 Dryads 的嵌入並大量複製所受到影響。除此之外,Dryads 基因及其他重複 DNA 序列是否是造成火炬松某些特點,例如耐旱性或抗蟲特性等,也都是研究團隊往後的研究方向。

(首圖來源:Flickr/lee roberts CC BY 2.0) 

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