刷新認知無上限：生物能自行將兩個基因融合成新的

最近幾年，顛覆性的研究結果不停刷新我們的認知：科學家們觀察到DNA複製后發現根本就與原先所想的不同！居然有不需要引物的DNA聚合酶被發現！沒有Y染色體也可以繁殖後代……。

小夥伴們紛紛表示這種顛覆力度，讓人怎麼讀得進去教科書！

然而認知刷新是無上限的！

請執著於基因工程手藝【比如換個啟動子、做個融合表達什麼的】的小夥伴千萬要抗住打擊了：這些手藝在生物體內本來就有！而且切換自如！

紐西蘭梅西大學等單位的研究人員發現細菌可以通過兩個基因的融合產生新特性的機制來適應環境變化！相關文章發表在近期的Nature Ecology & Evolution上。

基因是會產生各種變化的，比如：突變可以使生物體具有新的特徵；重複基因和插入額外的DNA片段也可以增加有機體的適應性；轉座子的發現刷新了人們對基因組狀態的概念而獲得諾貝爾獎。但是生物體內會出現象基因工程操作那樣快速和徹底的變化在絕大多數人的意料之外。這項研究證明通過拼接、融合而創造出全新的基因，並不是人類首創的。我們所做的一切本來就在自然界存在。

兩個基因的融合，這麼微觀的現象是如何觀察到的呢？這種可能性的蛛絲馬跡是通過比較不同生物的基因組而獲得的。這些引人注目的數據來自不同類型的生物體，包括細菌和多細胞生物。假定的蛋白質域交換后的產物還有一定的功能，比如果蠅中的新基因：sphinx（斯芬克斯，獅身人面——看這名字就知道是拼接的）, jingwei（這是華裔青年發現的基因，從山海經里給它起了個名叫「精衛」，取精衛溺死而又重生之意——昭示著這個基因是「回爐重造」的）和Sdic。它們對求偶行為，乙醇脫氫酶底物特異性和精子活力有影響。這三個基因有可能來源於逆轉錄轉座效應或者是臨近基因的複製融合。

生物信息學的數據分析提出了科學問題，但是如何找到實例來證實基因融合確實存在呢？進化通常都是很慢的，怎麼樣觀察到這種實時的變化？因此，研究人員把重點放在細菌上，細菌的繁殖速度極快，而且可以在實驗室里大量培養。這使得研究人員能夠研究基因組中的結果變化，並觀察到進行中的進化。

熒光假單胞菌P. fluorescens（SBW25）是研究環境適應的良好模式生物。因為它在不同的環境下快速進化，產生大量不同的突變；並體現了不同的菌落形態，很容易被觀察到。

不同環境下的熒光假單胞菌

原始的熒光假單胞菌菌落是光滑的，環境誘導突變體中表面有褶皺的菌落形態（WS）是由於調控雙鳥苷酸環化酶（di-guanylate cyclases，DGC）的多種基因活性改變引起。研究人員通過16種改變環境調節的突破途徑讓DGC活化，增加cyclic-di-GMP的產量。cyclic-di-GMP是廣泛存在於細菌中的第二信使，會促使纖維素產生和生物膜的形成，這樣菌落就有了褶皺。

在這16種環境變化的褶皺菌落中，科學家們觀察到了不同的基因融合現象。一種融合具有啟動子捕獲的特徵，就是說兩個基因融合后導致基因受到新啟動子的控制，從而合成更多由融合基因編碼的蛋白質。融合后，雙鳥苷酸環化酶基因處在不同的啟動子的控制下，從而增加了該酶的生產。

然而，在一些褶皺菌落中，該基因的活性沒有變化。在這些細胞中的突變分析表明，這些突變中的雙鳥苷酸環化酶基因和鄰近基因形成融合基因。後者編碼的蛋白質通常在細胞膜中活躍。這造成新的蛋白質具有膜結構域，並嵌入細胞膜中，激活了蛋白質，導致纖維素產量增加。

膜結構域和的雙鳥苷酸環化酶基因融合形成褶皺菌落

原始菌落（左）和膜定位融合褶皺菌落（右）

在細菌中找到了基因融合的鮮活例子可不止意味著該現象只有細菌中有哦！要知道生物信息分析處理的基因拼接現象有很多，比如在人體中的KUA-UEV基因，是KUA脂肪酸羥化酶基因和腫瘤易感基因UEV 通過可變剪接機制的融合。和所發現的假單胞菌基因融合改變蛋白在細胞內的位置一樣，UEV定位核內，KUA在內膜上，而KUA-UEV在胞質中執行功能。人體中，64%的線粒體蛋白包含了在細胞其它地方起作用的基因蛋白。可見通過融合產生新基因的機制應該是一個比較普遍的現象。

參考資料：1）New gene evolution: little did we know

2）Evolving protein functional diversity in new genes of Drosophila

3）Adaptive radiation in a heterogeneous environment

4）Adaptive evolution by spontaneous domain fusion and protein relocalization

5）Experiments with bacteria show that genes can fuse together, leading to the production of novel proteins

本文系生物探索原創，歡迎個人轉發分享。其他任何媒體、網站如需轉載，須在正文前註明來源生物探索。