生物在自然狀態下,有許多方式能夠生成新的基因,例如數種複製(duplication)、序列移動(例如gene fusion)、無中生有(de novo origination),以及「水平基因轉移」(horizontal gene transfer,簡稱HGT;又叫lateral gene transfer,簡稱LGT)。

new gene originations  

 

眾多新基因生成的方式,可參考本篇回顧論文:

New genes as drivers of phenotypic evolution

 

跟基因轉移相比之下,陳奕迅的《愛情轉移》知名度應該高的多。

愛情轉移》演唱

 

生物個體的基因除了透過「水平基因轉移」獲得之外,絕大多數來自本身直系祖先的傳承(垂直傳遞)。水平基因轉移特殊之處在於,它可以直接在兩個親緣上不相關的生物之間傳遞基因,例如在兩種不同的細菌間傳遞、或是真菌傳給輪蟲、細菌傳給果蠅,兩種生物不論物種差異多大,水平基因轉移都有機會發生。

 

某個角度看來,這是種自然界跟人工基因改造很類似的現象,再怎麼奇怪的攻受組合都能發生。假如生物透過水平基因轉移獲得新的基因,而這個基因能夠傳遞給下一代(例如多細胞生物轉移進生殖細胞),那麼這個基因也將留在生物的基因組(genome)中,變成另外一個垂直傳遞給後代的基因。

 

水平基因轉移並不罕見,在單細胞生物常常發生,像是屬於原核生物的細菌,屬於真核生物的酵母菌與許多真菌,另外多細胞生物也有。水平基因轉移這種能夠快速改造基因的方式,可以替生物帶來生存上的優勢,例如它能替細菌傳遞抗藥性基因;有些寄生於植物的線蟲,透過基因水平轉移得到能消化植物細胞壁的酵素,這當然有利它的生存。


 

線蟲HGT  

可參考以下2篇回顧論文:

The Evolution of Novelty in Conserved Gene Families 

Comparative Genetics and Genomics of Nematodes: Genome Structure, Development, and Lifestyle

 

細菌、真菌這些構造簡單的生物,水平基因轉移多很正常,但那些身體構造複雜很多的多細胞生物,像是果蠅、線蟲,甚至是人類這種超級複雜的靈長類,還有水平基因轉移的可能嗎,假如有,又佔多少比例?直覺上這好像不是什麼困難的問題,過去也零星在各種生物,包括人類中找到幾個,一直都缺乏全面性的研究。

 

原因也不難理解,要知道這個問題,需要全面性地比較大量不同種生物的基因組,看看誰哪時候突然多了外來的基因。理論上,水平基因轉移可以從任何一種生物轉移到任何另外一種生物,要正確判斷某生物的一個基因,是否為水平基因轉移獲得,又是從誰那邊得到,假如不具備各種生物大量的背景資料,與良好的演算法,將會什麼都比不出來,比出來也不可靠。不過時至今日,已經有大量生物被基因定序,這個問題也遲早有人深入研究。

 

前幾天劍橋大學的人馬發表的論文,一發表竟然連《經濟學人》都趕快寫文章報導,可見水平基因轉移這種「天然基改」很有話題性。這篇論文比較了上百種生物的基因庫,主要目標是找出3群動物,也就是親緣彼此相近的12種果蠅、4種線蟲,及包含人類的10種靈長類,各自的「水平轉移基因(horizontally acquired gene)」有哪些。

 

論文摘要:

thesis abstract  

劍橋大學的研究團隊發表在《Genome Biology》期刊的論文:

Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes

《經濟學人》立刻專文報導:

Genetically modified people

好心人的中文翻譯

 

Drosophila species   

12種果蠅

 

Caenorhabditis species  

4種線蟲

 

primates  

10種靈長類

 

以上3張圖的數字是ortholog group 的數目,至於什麼是ortholog......

ortholog, paralog and homolog

 

即使在相對嚴謹的條件設定下,這次發現的水平轉移基因數量,仍遠比過去零星的發現多很多,人類共有高達145個基因來自水平基因轉移。大多數基因轉移發生的時間,可能都在脊索動物與其他生物分家,到10種靈長類的共祖之際(這段時間長達5億年以上),不過即使是人類,在跟其他靈長類分家以後至今這段不長的時間內,至少也有過一次水平基因轉移。

 

primate HGT  

animal evolution time line  

via 這裡

 

不分果蠅、線蟲、人類,很多水平轉移基因是酵素。人類145個轉移基因中(人類總共有20000多個基因),跟脂質代謝、大分子修飾有關的基因數目較多,最驚奇的發現大概是人儘皆知的ABO血型基因,竟然最早是從細菌水平轉移來的,天啊!

 

螢幕快照 2015-03-21 6.31.54  

螢幕快照 2015-03-21 6.32.07  

 

各種動物歷經水平基因轉移,得到許多新基因後,這些基因也在各種動物內各自獨立演化,有些取得重要的生化角色,有的複製出一堆paralogs(最誇張的發生在線蟲,一個基因轉移後,複製出大概30個基因分身)。

 

除了果蠅、線蟲與靈長類的大量近緣種比較外,這篇論文還加入其他14種脊索動物一起比較(老鼠、熱帶爪蟾、斑馬魚等等),結果發現水平基因轉移在動物物種中,雖然數目比細菌少很多,卻普遍發生在各種動物,有些轉移的基因後來還扮演重要的功能,因此這個研究認為,水平基因轉移對多細胞動物演化的重要性之前遭到低估。

 

這則連經濟學人都來跨界報導的熱門科學發現,台灣媒體目前只有大紀元報導,事實上這則報導「研究:人體含外來基因 演化論無法解釋」比不報導還要糟糕,前半段「首次證明生物界普遍存在基因水平轉移」,除了有些小錯外還算正常,「後半演化論受到進一步挑戰」則是移花接木,把美帝主張偽科學「智慧設計論」的Michael Behe 的作品《達爾文的黑匣子:生化理論對進化論的挑戰》給橫空「水平轉移」進來,趁機宣傳胡說八道的智慧設計論。

研究:人體含外來基因 演化論無法解釋

智慧設計論倡導者Michael Behe

 

其實用新發現的水平基因轉移誤導演化論有問題是個老梗,早在2001年人類基因組剛定序完成時,就有類似的說法。以下是一篇錯誤百出的文章:

是生物進化中基因的水平轉移,基因丟失,還是進化論的疑點?

 

這回這個劍橋大學團隊發現動物普遍具有水平基因轉移的研究,不但概念出發於演化學,方法是常見的演化研究做法,解釋更是以演化角度切入,得到的結果對未來的演化研究也相當有助益,實在沒有智慧設計論或是神創論亂入的空間。

 
 
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