王大虎

王大虎:基因的迅速响应

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细菌对环境的改变必须作出迅速的反应。营养供给随时都可能发生变化,反复反常。要想得以幸存必须具有可以变换不同代谢底物的能力。单细胞真核生物也同样生活在不断变化环境中。而更为复杂的多细胞生物都具有一套恒定的代谢途径,无需对外部环境作出反应。

在细菌中,很需要灵活性,也需要很经济,因为细菌遇到合适的环境就大量消耗营养的话,这对其本身也是不利的。在缺乏底物时就不必要合成大量相关的酶类,因此细菌产生了一种调节机制,即在缺乏底物时就阻断酶的合成途径,但同时又作好了准备,一旦有底物存在就立即合成这些酶。

2011年6月,X大学医学院的科学家们发现,当果蝇处于胁迫条件下的时候,它们会因适应环境而发生改变:原本紧密结合在“异染色质”DNA缠绕区域的一种转录因子被释放出来,这些缠绕区域得以解开并进行复制。

在很多时候,环境对基因或者遗传的影响是非常迅速的,这些现象大大改变了人们对基因与环境互动的传统看法。下面例子可以说明环境对遗传的影响。

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运动可以立刻改变你的DNA状态:科学家发现剧烈运动后,肌肉中的DNA启动子区域立刻呈现出低甲基化的变化,使得一些相关的基因能够被迅速表达,从而达到重建身体机能的效果。通过科学家们的努力,健美和塑身的分子生物学机制的面纱正在被慢慢揭开。论文发表在《CellMetabolism》杂志上。

吸烟标识可以进入DNA:2012年11月,英国詹姆斯—弗兰纳根与保罗—维尼斯教授合作的研究指出,已经在血液DNA中发现许多由吸烟导致的化学标记。这项研究发现吸烟会在不改变基因编码序列的情况下在DNA的表面留下标记。在参与试验的吸烟者血液样本中发现某些基因部分发生了“甲基化”。这种情况被称作“后生性”改变。当一个人戒烟的时候,这种标记就开始消失,但是也不能与不吸烟者没有标记的DNA进行比较。

社会地位影响猕猴基因表达:美国研究人员在美国《国家科学院学报》报告称,社会地位的变化能够显著影响猕猴的基因表达。野生猕猴X构成一个等级社会,不同猕猴的社会地位可以从其获得食物、水以及X的顺序分辨。杜克大学等机构的研究人员对5个圈养猕猴X进行了研究,利用基因芯片测量了猕猴6000多个基因的表达。他们对49只不同地位的雌性猕猴进行比较后,发现了987处基因表达差异,其中112处与免疫系统功能有关。

研究人员还根据基因表达的差异较准确地推测猕猴的社会地位变化。在一个猕猴X中,碰巧有两只被移出,另有新猕猴加入,这意味着部分猕猴的社会地位将发生变化。研究人员根据基因表达差异,准确预测了7只猕猴中6只的新地位。此外,研究人员还首次发现,很多基因的DNA甲基化状态受社会地位变化的影响。DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式,可以在不改变DNA序列的前提下改变遗传表现。

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在人类研究中,较低的经济社会地位以及高强度压力也会提高患病风险。此前有研究显示,社会地位较低或经常面临慢性压力的猕猴免疫功能也较低。研究人员表示,他们的新研究呼应了此前的研究成果。不过研究人员说,野生猕猴的社会地位与基因表达是否存在同样机制仍尚未可知,而社会地位变化对人类基因表达的影响更需要研究来证实。

研究发现植物受淹时激活特定基因助“抗洪”:植物和人一样,被水淹会因缺氧而难以呼吸。不过,最新研究发现,植物在被淹时可激活体内的特定基因,助其“抗洪”。这项成果或有助于人类提高作物的抗水淹能力。植物被浇了过多的水,便难以获得足够的氧以维持细胞正常呼吸。这时,植物体内细胞膜会释放一种名为RAP2.12的转录因子,这种蛋白质会激活特定基因,帮助植物更好地应对缺氧状况。这项研究是德国马克斯—普朗克分子植物生理学研究所2011年10月23日发表新闻公报宣布的。

寄生植物从宿主窃取大量DNA:“尸花”是一种生存在婆罗洲丛林中的寄生植物,最新研究表明,它不仅以宿主体为食,还大量窃取宿主植物的DNA。

研究发现,这种花从宿主体分离出来,但共享着大量宿主体的基因,它们“X”基因的过程类似于一些动植物遗传获得基因。这项发现令科学家非常困惑,它将改写人类理解寄生体—宿主体之间的关系。科学家并不清楚这些植物窃取基因的目的,一些植物已置换了它们的基因,并将从宿主体获得的基因进行遗传,但他们认为这种变换方式肯定具有某些优势性。美国哈佛大学查尔斯—戴维斯(Charles Davis)教授说:“起初,我不知道是否这是一些基因子集,来自宿主体应对攻击的防御性基因。然而,这些基因表现出许多功能性,其中包括:呼吸、新陈代谢,以及一些有效的防御功能。如果是这样的话,这项发现可能映X一些关于寄生体的基因伪装性或者基因模拟性。多年以来,尸花保持着神秘的进化性,这是由于它非简单地具有基因工具箱,从质上讲,植物基因主要与光合作用存在关系。”这项研究展示了寄生植物系统特征,呈现X平基因传输现象。

 

图096 X婆罗洲盛开的一个尸花:科学家最新研它从宿主体植物那里窃取基因(图片来源:微图网)

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轮虫可无性繁殖并吞噬DNA:蛭形轮虫是一种小型的全部为雌性的生物,在过去漫长的8千万年中它们忍受着无性繁殖的生存方式。2012年11月,来之剑桥大学艾伦(Alan Tunnacliffe)等人的研究表明,一种怪异的吞噬基因可能造成了这种无性繁殖与其他生存方式的区别,这种蛭形轮虫有10%的活性基因是来源于细菌和真菌、藻类等细小微生物。

 

图097 最新研究发现蛭形轮虫吞噬基因进行无性繁殖,具有不可思议的生存方式(图片及参考资料来源:《轮虫可无性繁殖并吞噬DNA》腾讯科学,2012年11月19日,图片由剑桥大学艾伦(Alan Tunnacliffe)提供。)

研究人员发表声明称,他们虽然不清楚这种获取基因的原理,但在基因摄入的过程中必定包含了吞噬周围含有基因片段的有机物碎片,许多无性繁殖的生物因为缺乏来自父母的基因合成多样性突变被认为是注定要灭绝的,但蛭形轮虫避免了这种无性繁殖的缺陷,并生成了400个不同的品种。这种动物能够对抗极度脱水状态,部分的外源基因能够在蛭形轮虫开始变得干燥的时候被激活,使它们从水生物家族中脱离出来,同时这些基因可能也是种强大的抗氧化剂,是能够帮助蛭形轮虫对抗脱水的副产品。这种抗氧化剂的成分目前还未明确,但研究人员相信其来自外源基因。科学家认为蛭形轮虫的生存可能也归功于它们强有力的基因修复机制,而这个机制似乎已经进化到一个可重复的基因组。

“剽窃”细菌基因的甲虫:咖啡浆果钻孔甲虫是一种能够钻入咖啡内部的微小害虫,只有几毫米长。但这种害虫每年给种植者带来数亿美元的损失。

科学家里卡多·阿库尼亚研究发现,钻果甲虫的祖先从细菌那里剽窃了一种基因,而这种细菌存活于它的内脏中。这种基因帮助昆虫消化咖啡浆果中的复杂糖类。

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甲虫在咖啡浆果内部产下卵,它的幼虫唯独只依赖浆果含的糖分生存。而细菌中的HhMAN1基因帮助幼虫产生一种名为甘露聚糖酶的蛋白质,能够分解半乳甘露聚糖,但是昆虫一般不会产生甘露聚糖酶。阿库尼亚发现,钻孔甲虫的基因与细菌中的基因有着更相近的关系,他确定HhMAN1基因来自甲虫自己的基因组,而不是来自内脏的细菌,全世界的咖啡浆果钻孔甲虫都有HhMAN1基因,而其他临近种族的甲虫并不具有。在微生物界,细菌经常交换基因,这种交换让细菌能在新环境中繁殖,避开抗生素的攻击或者发动致命的感染。很明显在这个特例中,甲虫从内脏细菌中获得了这种基因。

像在动物或者植物这些更加复杂的生物中,这种基因水平转移更加罕见。但是随着研究的深入,发现基因转移也有一定的普遍性。

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