跳躍的基因（上）

費里斯?賈布爾

基因從一個物種跳躍到另一個物種，這種事比我們想象中要常見。這么說會撼動生命之樹嗎？

李飛葦下車向四處張望。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，沒什么可看。難道這就是那個地方？李飛葦，杜克大學的一位教授， 從北卡羅來納開車7

小時到達佛羅里達的這個坐標點，來尋找角苔類植物：這是最早一些陸地植物幸存的后代。

他搜尋了整整1小時，一無所獲。他心里開始不安，因為這是私人領地，他到這里來未

經許可。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，在堆滿垃圾的水溝里面，他找到了。大多數人很可能把這些直豎的綠色東西誤認為草葉，可李教授一眼就認出這是角苔類植物。他將雙手伸入泥土挖出這些無根的植物，把它們裝入一個塑料的冷卻器。這是一包看上去很不起眼的土和草，可是有了它就能譜寫植物進化史上的新篇章。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，與截然不同的蕨類交換了DNA。

在距今3億至1.3億年間，隨著樹和有花植物開始統治地球，一直以來喜愛太陽的蕨類

發現自己被森林密密的樹冠圈在了底下。在這樣的濃蔭下，大多數蕨類消失了，而幸存下

來的那些學會了依靠微弱光線來維持生命。這些頑強拼搏的植物進化出一種分子，叫作新

型色素，能夠探測到紅光和藍光，幫助自己向任何光線伸展，想方設法地穿過濃密樹葉的遮擋。

DNA 從一個生物體傳到另一個通常無關的生物體，而非“垂直地”從父母傳給孩子。

新型色素是從哪里來的？長久以來，科學家解答不了這個問題。誰都知道，為新型色素編碼的基因只存在于兩類相隔數億年的植物里：蕨類和藻類。這極不可能是同一個祖先遺傳下來的基因，卻不知怎么會掠過藻類和蕨類之間的所有植物譜系。大約2年前， 李教授在分析一個新型巨大的基因測序時，為一群植物新色素的基因找到了一個幾乎完全相同的匹配。之前，沒有人知道這些植物有角苔的這種光敏蛋白。通過后來對活標本（就是他在佛羅里達搞到的那些）的DNA 分析，他證實了自己的推測：蕨類不是自身演變出新型色素，而是從角苔那里獲取的。

蕨類的生命周期為此提供了一些線索。蕨類有兩種獨特形態：柔軟如羽毛的成年形態和閃亮的心形葉，稱為配子體，蕨類在這兩種狀態中交替變化。配子體的生產和分泌必需精和卵，或者說必須在另一個配子體上找到配子，這樣才能生出新的成年蕨類。蕨類的精子和卵子如此暴露，就很容易與角苔類以類似方式排放的精或卵接觸。如果兩者發現彼此的配子破損或畸形，就會在與同類結合之前穿過破膜彼此交易起DNA 來。

幾十年來，科學家已經知道，像細菌和其他微生物這樣的原核生物在其D N A 周圍缺

少一個保護性的核，一直彼此交換著基因物質。研究人員也記錄了無數個病毒穿梭于動物

（包括我們人類在內）基因組的案例。

在過去1 0年里，有一點越來越清楚：這種自由的基因交換不限于微觀世界的DNA，同樣也發生在動物、菌類和植物的基因之間。這些生物總體被稱為真核生物，因為它們的細胞里面都擁有細胞核。蕨類和角苔類之間的這種古老結合，是一系列新發現的水平基因轉移實例中最新的例子：DNA 從一個生物體傳到另一個通常無關的生物體，而非“垂直地”從父母傳給孩子。事實上，在生命史的整個過程中，所有生物之間都發生過水平基因轉移，不僅發生在物種之間，還發生在生命的不同王國之間。細菌基因在植物里終結，菌類基因在動物里終結，蛇與蛙的基因進入牛和蝙蝠。這樣看起來，每一個現代物種的基因組似乎都是從許多不同生命形式那里借來的基因拼湊而成的嵌合體。

巴西利亞大學生物學家安東尼奧·特謝拉說：“科學家看到的只是巨大冰山之一角。”加拿大新斯科舍戴爾豪斯大學生化學家W. 福特·杜利特爾同意這個觀點，他說水平基因轉移“比1 0年前我們能夠猜想到的要廣泛得多，其結果也比我們想象的嚴重得多”。現在，研究人員已經發現了物種之間、生命王國之間基因轉移的許多實例，還有更多的實例等待他們去發現。因此，他們不得不調整自己對進化機制的理解。標準的進化理論不解釋復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基因如何使一種生物升華或是衰退。這么想這個問題吧：如果現存物種的基因組是偉大的進化之樹不同枝條上的花朵，水平基因轉移就是一股惡風，它把一處的花粉無情地刮向另一處。

復雜生物體之間水平基因轉移的念頭最初出現于幾十年前。2 0世紀4 0年代，在紐約的冷泉港實驗室，芭芭拉·麥克林托克發現玉米的有些基因會從染色體的一個位置冒出并轉移到另一個位置。在一個具體的細胞核里面，發生這種轉置的程度決定著它彩色斑紋的獨特圖案。芭芭拉·麥克林托克開拓性的研究首次證明了基因組富有活力，其秩序并不是永遠固定不變。

這個概念很難讓科學家普遍接受。然而，到了2 0世紀7 0年代，其他研究人員發現了跳躍基因，或者說轉座子。科學界終于開始一致稱贊芭芭拉· 麥克林托克的工作，她也因此于1 9 8 3年獲得了諾貝爾醫學與生理學獎。科學家現在知道，轉座子極其豐富，常常占去一個基因組的一大半，有的從一條染色體上的一處分離轉移到另一處，有的采用拷貝然后粘貼的方法快速增殖。為了實現這些跳躍，轉座子依賴兩大策略：①包含一個基因序列對轉座酶進行編碼，轉座酶能夠從目前位置砍下一個轉座子，將其引向別處；②利用一組不同的酶生產RNA 串，并將其轉化為DNA，再回歸宿主基因組。

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

在芭芭拉· 麥克林托克辯護期間，科學家在果蠅中偶然發現一個極其突出的轉座子。

在亞利桑那州立大學，瑪格麗特· 基德韋爾當時正在對實驗室環境下養育的雌果蠅用野生

雄果蠅交配。基德韋爾吃驚地發現，她做媒的這對果蠅的后代不育，而且充滿有害的基因

突變。

進一步的實驗表明，這些變異的根源在于一個轉座子，這個轉座子后來被命名為P 因

子。在此前5 0年的某個時候，這個移動基因幾乎滲透了每個野生果蠅種群。科學家把一些

果蠅種群在實驗室封閉了幾十年，保護它們未受這種感染。野生果蠅演化出抑制P 因子引發的遺傳混沌的策略，而實驗室里的種群沒有。因此，它們的雜交后代就很脆弱。更為奇怪的是，研究人員發現，P 因子最初是從另一個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域，但在性上是無法相容的。那么，P 因子是怎樣實現這種神奇跳躍的？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，通常寄生于兩類果蠅上，用其針一般的口器吸吮果蠅卵和幼蟲的營養。可以想象，這種寄生蟲能把一個果蠅的卵轉移到另一個果蠅的卵里去。跟蹤研究表明，寄生果蠅的螨的確帶有P 因子。

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

界線，形成有機體的演變。從繁殖方面將實驗室培育種群與野生種群隔離開來，部分要靠水平基因轉移實現，這是邁向物種形成的一大步。大多數生物學家仍然把昆蟲與其他動物之間的水平基因轉移視為一種異常現象。誠然，細菌與病毒每天都在交換DNA，可是提到動物、植物和菌類，這樣的遺傳侵入總體來說相當罕見，在大多數情況下幾乎無關緊要。

這正是在過去的十年里，當研究人員找到一個又一個基因轉移案例時所闡明的概念。猶他大學的塞德里克· 菲斯奇特說：“有一段時間，我們竟然沒能意識到轉座子會來自其他物種。現在看來，我們自己的基因組也是由來自不同地方、帶著不同背景的遺傳原料拼湊成的。在我看來，這有著極其深遠的意義，即使最大的真核細胞基因組也有這樣的補丁。”

2 1世紀初，塞德里克·菲斯奇特及其同事注意到各種哺乳動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系匹配。比如說，他們會在小鼠和大鼠

的D N A 中找到幾乎相同的序列，但是在松鼠身上找不到；相同序列出現在嬰猴這種夜間出沒的靈長類身上，可其他靈長類物種沒有。大鼠、小鼠以及嬰猴都不可能獨立演變出完全相同的DNA 組塊。更為復雜的是，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。

在生命之樹史詩般的歷程中，BovB 在物種之間至少跳躍了9 次，似乎從爬行動物轉

移到了哺乳類。

2 0 0 8年，塞德里克·菲斯奇特及其同事發現，這些DNA序列并非垂直遺傳基因，而是一個普遍的轉座子，科學家將其命名為太空入侵者（簡稱SPIN）。這些太空入侵者除了出現在嬰猴和大小鼠的基因組中以外，還想方設法混入馬島猬、小棕蝙蝠、負鼠、綠色變色龍蜥蜴和非洲爪蛙的基因組，然后數千倍地繁殖自己或自己的簡略形式，而且大鼠和小鼠把一個SPIN 轉座子收為己有，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謎。在過去的3 0 0 0萬年里，數個SPIN 滲透了小棕蝙蝠的基因組，復制的倍數極其巨大。這樣的擴大與蝙蝠演化史上物種形成最迅速的一個時期正好吻合，但這遠不是結論性的證據，無法證明水平基因轉移促成了物種的形成。

一種不同的轉座子，就是拷貝加粘貼的那一種，也擴散到同樣多樣化的動物群體里。2 0 1 2年， 阿德萊德大學的大衛· 阿德爾森和阿里· 瓦爾什及其同事在牛身上發現了轉座子BovB，在變色龍、負鼠、鴨嘴獸、小袋鼠、馬、海膽、桑蠶以及斑馬魚等身上也有。經過傳統演變關系進行垂直遺傳的觀點又一次不能解釋轉座子偶爾在此偶爾在彼的隨意顯化。在其生命之樹史詩般的旅程中，BovB 在物種之間至少跳躍了9次，似乎從爬行動物轉移到了哺乳類。

一個小小的D N A 片段是如何進入那些生境分布差異很大、進化距離很遠的生物當中

的呢？比如，從來都未曾遇見對方，更不用提是不是會出現交配的動物？這或許跟一種掌

握了搭便車藝術的生物相關：扁虱。阿德爾森、瓦爾什及其同事在附身于爬行動物的幾種扁虱中發現了BovB。與此類似，在發現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現了它們：一種是叫作獵蝽的昆蟲，一種是椎實螺。這兩種生物和對果蠅卵有獨特嗜好的螨類一樣，具有把轉座子從一個生物傳播到另一個生物的潛能。獵蝽靠吸食鳥類、哺乳動物和爬行動物的血液為生，而椎實螺身上攜帶多種寄生性扁蟲，這些扁蟲可以感染多種脊椎動物。有證據證明，這兩種寄生蟲是在過去5 0萬年中讓SPIN 滲透了如此多不同動物的主謀。

有時候，寄生蟲可以向宿主基因組中轉移遠多于一個基因的遺傳信息。跟許多昆蟲一

樣，嗜鳳梨果蠅是一種叫作沃爾巴克氏體的寄生性細菌的根據地，沃爾巴克氏體主要見于

昆蟲的性器官中。在一系列基因測序研究中，科學家證實寄生在嗜鳳梨果蠅中的沃爾巴克

氏體，向果蠅DNA 中運送了不止1個，而是1 2 0 6個基因。昆蟲是地球上數量最多的生物，沃爾巴克氏體能夠感染2 5%至7 0%的昆蟲，也就意味著沃爾巴克氏體成功進行這種遺傳物質重組的范圍，可能遠遠超過果蠅的范圍。試想一下，在那些嗡嗡作響、剛毛林立、長著大眼睛的家伙的軀殼當中，或許不是獨立的生物，而是兩個怪獸

的合體。（待續）