有些基因可通過遺傳獲得……有些基因則是不請自來，溶菌酶基因GH25即是其中一員！

數億年以來，這種基因在病毒、細菌、古菌、真菌、植物和昆蟲之間肆意遊走。它之所以能無視傳統遺傳法則的禁錮，在生物進化樹上神出鬼沒，是因爲它擁有一項獨特的本領：像猴子那樣，從一根樹枝跳到另一根樹枝。也就是說，它的轉移不是親代和子代之間的垂直傳遞，而是不同生物個體之間的水平轉移！

“GH25在生物進化樹各個分支的出現，刷新了我們對水平轉移的認識。”植物基因組學專家奧利維爾·帕諾德（Olivier Panaud）在面對這一小段行蹤不定的DNA序列時驚歎道，“它向我們表明，進化的機制相當複雜，遠不只是隨機的變異和偶然的置換。鳥類的翅膀可不是用某個胸腺嘧啶代替某個腺嘧啶就能進化出的！”

如果不是命運之手的推動，GH25的真面目或許還會隱藏下去。它的祕密被美國範德比爾特大學生物學家團隊窺破實屬偶然。

根據科學家以往的認知，GH25是一種抗菌基因，存在於某些病毒的DNA內。GH25可產生一種能夠破壞細菌外殼的蛋白質——溶菌酶。病毒WO噬菌體就是用它來攻擊沃爾巴克氏體（Wolbachia）這種細菌的。但GH25也存在於某些細菌的DNA內，對細菌的繁殖至關重要：GH25可使它們在“一裂爲二”時暫時自毀外膜。至此無甚出奇。

Wolbachia

殖民者基因

但當研究人員開始在基因數據庫中追蹤它的足跡時，意想不到的轉折出現了。

“我們驚奇地發現很多非細菌物種也擁有這個序列。”美國範德比爾特大學生物學實驗室主任賽斯·波丹斯坦（Seth Bordenstein）回憶道。這種基因是如何做到跨越物種而存在的呢？

基因組研究的結果進一步確認了這一發現。除了存在於衆多細菌（厚壁菌、放線菌……）和病毒基因組中以外，GH25還存在於豌豆蚜蟲、江南卷柏、米麴黴（一種引發水稻病變的真菌）和一種名爲A. boonei的深海古菌的基因組中。

厚壁菌

細菌，古菌，真核生物：這種基因竟然能夠攻佔如此不同、親緣關係相隔如此遙遠的物種！“同一種基因存在於三大生物界的情形非比尋常。從進化角度看，它們差異相當大，居然出現了基因水平轉移，這拓展了我們的知識邊界……”賽斯·波丹斯坦興奮地說道。

古菌 A. Boonei

怎麼能確定這種物種間的轉移不是通過傳統的繁殖途徑呢？因爲它們的進化路線不一樣！更何況，蚜蟲和卷柏的祖先並不具備這種基因。

那麼，這種基因是怎樣在相距甚遠的物種之間轉移的呢？細菌與細菌通過病毒或較小的DNA分子（質粒）進行基因水平轉移稀鬆平常，但細菌與其他物種之間也存在基因水平轉移實在是匪夷所思。

江南卷柏

“當食物中包含某個死去的細菌的DNA片段時，基因水平轉移就有可能在攝食的同時發生。”法國里昂第一大學進化生物學和生物統計學實驗室研究員文森特·多賓（Vincent Daubin）介紹道，“然而這種水平轉移的成功率極低，無數次出錯之後，纔會有一次被進化固定下來。移入的基因序列必須融入新的環境，在其中進行表達，合成某種蛋白，擔負起某種功能，爲個體提供優勢……”

米麴黴

因爲它抗菌

可以肯定的是，物種在物理層面上的接近爲這種轉移創造了條件。細菌可能是該基因的最初攜帶者，是它們把該基因傳給了古菌或真核生物。如變形菌可能是蚜蟲和WO噬菌體體內該基因的源頭，因爲它們常與昆蟲爲鄰；卷柏生長在富含放線菌的土壤中；古菌則與厚壁菌共同棲息在深海熱泉附近。

但這又是爲的什麼？這種轉移有何益處？答案：移入該基因的生物體可輕鬆獲得直接可用的抗菌武器，因爲這正是GH25的主要功能。

要證明這一點就得確認，GH25在其他物種體內與在WO噬菌體體內一樣，也表達出了抗菌性。第一個證據來自古菌A.?boonei，GH25在其體內發揮正常。

古菌A.?boonei

“我們花了三年，終於證明基因水平轉移後編碼出的蛋白質功能有效。”賽斯·波丹斯坦驕傲地透露。他所在的團隊通過實驗證實，古菌憑藉GH25產生的溶菌酶打敗了四種細菌：“這是我們首次在古菌內發現抗菌基因。”它令古生菌在與周圍細菌的競爭中脫穎而出，甚至賦予其意想不到的藥用價值……

然而對其餘物種的研究暫時未能證實GH25爲它們帶來了抗菌能力。不過這一小段序列被轉移到更爲複雜的分子內部後或許會產生其他的效果。“抗菌只是衆多可能中的一種，我們相信細菌‘發明’的其他功能也能通過水平轉移惠及真核生物。事實上，我們甚至可以說，真核生物的關鍵功能全都是從細菌處竊取的。”文森特·多賓評價道。

進化樹枝繁葉茂，GH25行蹤不定，擺在科學家面前的是一幅極端複雜但極富教益的圖景。

撰文 Alexandra Pihen

編譯 吳會敏