祖先or兄弟？人类基因中隐藏着演化的第三种可能性
来源： 中国科协、中科院携手“互联网 科普”平台，深耕科普内容创作 发布时间：2023-08-28
出品：科普中国
作者：王锦鸿（中国科学院微生物研究所）
监制：中国科普博览
在进化树上，有些物种是我们人类的“祖先”，比如古猿，或是更早的始祖兽乃至原始真核动物，没有它们就没有我们。另一些物种是我们的“兄弟”，它们与我们有着共同的祖先，但在演化中分道扬镳，变成了不同的样子。
然而，在演化中是否也存在着第三种可能，就像“老师”或是“邻居”一样，虽然和我们没有直接的亲缘关系，但也会在我们的成长道路上留下一抹印迹。也就是说，离我们更近的祖先在与其他生物的共生和交流过程中，从其他生物那里获得了某些基因和性状，一直留存到现在，甚至会成为我们赖以生存的能力？
当然有。
博物馆里的“露西古猿”
（图片来源：截自wiki图片）
2001年，当宏伟的人类基因组计划宣告完成之后，科学家们通过对现代人基因组序列的分析得出了一个令许多人惊讶的结论：在根据基因组预测的两万余人类基因中，约有200个基因和已经被鉴定的细菌基因十分相似，这些基因好像是来源于细菌的。
由于当时的基因组测序技术还不完善，这个发现被一些科学家解释为实验样品被细菌污染。在之后的二十余年内，随着测序成本越来越低，人类基因组测序因为不同的研究目的被重复了很多次，综合比较后，仍然有许多与细菌类似的基因无法被解释为样品污染。
基因组测序
（图片来源：veer图库）
加州大学圣地亚哥分校的生物化学家matthew daugherty和同事们关注并研究了这一问题，他们使用计算机软件，通过在其他物种中搜索类似的序列，来追踪数百个人类基因的进化。研究中重点关注了在早期动物中没有发现而“突然”出现在脊椎动物基因组内（表明不是直接演化而来的），并且在现代微生物中能找到相似序列的基因。
在他们筛选到的数十个潜在的脊椎动物“外来基因”中，有一个基因是irbp，编码的是光受体间类视黄醇结合蛋白，该蛋白分布于视网膜和视网膜色素上皮之间的空间中，在包括人在内的脊椎动物的视觉形成中不可或缺。
眼球结构中，视网膜（retina）有感受光刺激等作用
（图片来源：wiki）
这样一种重要的基因存在于所有脊椎动物中，但通常不存在于其亲缘关系最近的无脊椎动物中，反倒和细菌中的肽酶基因非常类似。
为什么会这样呢？
daugherty和他的同事提出，5亿多年前，微生物将肽酶基因转移到了脊椎动物的共同祖先中，脊椎动物进化一段时间后，其自身发生的一些突变使肽酶基因变为irbp，还参与组成了脊椎动物的视觉系统。
该观点的另一个佐证是，生理学家们早已发现脊椎动物的视觉器官是“另起炉灶”，与其他生物的视觉机制演化路线都不相同的，这其中可能就有细菌肽酶的贡献。
其实，在daugherty之前，已经有许多科学家研究过生物之间发生水平基因交流现象和机制了。
人类基因组中的内源性逆转录病毒序列，是人与古老病毒斗争的印迹；细菌和古菌中与许多病毒同源的crispr array序列，发展出获2020年诺贝尔化学奖的crispr/cas9基因编辑技术；农杆菌将自己的ti质粒插入植物基因组的能力，几乎成为当今对高等植物进行遗传操作的必由之路。
（图片来源：veer图库）
但正如马里兰大学医学院基因组科学研究所的基因组生物学家julie dunning hotopp评价的那样，daugherty的研究揭示了物种之间不仅可以进行水平基因转移，这种水平转移的基因还可能在新的物种中生根发芽，在长期的进化中使物种获得新的能力或增强他们的现有能力。
如同我们人类的社会关系一样，生物不仅仅有“长辈”和“亲戚”，也有“老师”“朋友”“陌生人”等。将基因视角下的生物进化理解为“树”，细看来或许是不精准的，早已分道扬镳的树枝之间也可以搭起网络，在基因的水平交流中更加茁壮成长。
相信未来会有更多的科学家在这棵“树”上找到更多隐藏着的“网络”，而这些网络也会解答人类藏在基因里的更多秘密。
参考文献：
【1】kalluraya c a, weitzel a j, tsu b v, et al. bacterial origin of a key innovation in the evolution of the vertebrate eye[j]. proceedings of the national academy of sciences, 2023, 120(16): e2214815120.
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