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进化新知:复杂生命中的水平基因转移

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摘要: Rokas和Slot 在达尔文时期,“生命之树”"tree of life"的进化模式应该是一种渐进式的,不同的物种单独发生进化。科学家们最近在真菌中发现了大量基因组可以在不同物种间水平的直接跳跃转移。范 ...

Rokas和Slot
在达尔文时期,“生命之树”"tree of life"的进化模式应该是一种渐进式的,不同的物种单独发生进化。
科学家们最近在真菌中发现了大量基因组可以在不同物种间水平的直接跳跃转移。
范德比尔特(Vanderbilt.)的生物科学助理教授A. Rokas说道:“真菌能够告诉我们很多关于生命进化重要的信息,这些都是我们还未认识的。”他和副研究员J. Slot在今年的1月25日在《Current Biology》上发表了他们的研究成果。
Rokas和Slot发现早在数百万年前,在淀粉类食物如面包和土豆里常见的霉菌(mold)——曲霉属(Aspergillus)中有23个基因水平跳跃到了另外一种生活在草食动物粪便专门分解植物纤维的霉菌——柄孢壳菌属(Podospora)中。
这一发现令研究人员非常兴奋,因为在植物,动物或真菌这种具有复杂细胞结构的生物中,极少发现物种之间有水平基因转移(horizontal gene transfer)的现象。
Rokas说:“人们都不相信如此大量的基因能够进行水平的转移,他们也没有去寻找更没有什么收获。”
Rokas和Slot对近100种真菌完整的基因进行检测和比较,分析和研究结果得出有23个基因发生了水平转移现象。
其中一种发生基因水平转移的是能产生有毒化合物杂色曲霉素(sterigmatocystin)的基因密码。细胞通过产生这种毒素来攻击竞争对手或保护自己。大量重要的药物如青霉素(penicillin)和环孢菌素(cyclosporin),以及天然毒素都是以这类型化合物作为材料来源的。
Rokas介绍道:“真菌能产生很多不同的毒素。我们发现了控制生物产生这种毒素的基因组能在不同的物种之间发生水平完整的转移,这就意味了基因的水平转移在该类物种的分化过程很可能起到了很重要的贡献作用。”
在过去,生命进化的研究只集中在基因从父辈到子辈之间,即垂向上传递。这一过程对于地质历史时期生命之树的发展与分化起到了非常重要的作用。
尽管如此,上世纪80年代开始,生命进化科学家们开始关注横向或水平的基因转移对进化的影响作用。在垂向的基因转移中,每一个新物种全部的基因材料都来自于一个共同单一的祖先。但在横向的基因转移中,新物种的基因材料可以来自它们的邻居,即一些不相关的其它物种。
水平基因转移最早是在细菌中所发现的,这对它们耐药性的发展具有很重要的作用。如果一个细菌进化出高效的耐药能力后,这一能力能通过水平基因转移的方式快速的转移到其它不同种的微生物中,它们对药物的耐药性因此就被慢慢提高了。
尽管科学家们现在普遍同意水平基因转移在一些简单微生物如细菌中是一种普遍现象,但在一些复杂生命体如植物和动物中贡献则相对较少。
Slot最后说道:“我们的新发现意义在于水平基因转移很可能不仅在细菌的进化史中起到重要的作用,在一些更复杂生命体的进化过程中所起的作用同样不可忽视。”



IP属地:山东1楼2011-02-07 16:03回复
    这个对渐变之说有冲击吗?


    IP属地:山东2楼2011-02-07 16:29
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      有,专门因此进行了新的统计,最终结果是水平转移依然不是生物进化的主流.


      IP属地:天津3楼2011-02-07 17:04
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        专门因此进行了新的统计
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        谢谢回答
        由谁或由什么机构,在什么时候进行了怎样的统计,如何得出最终的结果,能给个资料吗?


        IP属地:山东4楼2011-02-07 17:31
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          回复:4楼
          这个问题问fengfeixue数字,他应该有具体地址,恩,
          你可以等等.


          IP属地:天津5楼2011-02-07 17:33
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            原核生物进化新学说
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            作者:   来源:生物通   发布者: 亦云   类别:新闻扫描   日期: 2011-02-01   今日/总浏览: 12/204  
                 日一项新研究成果向传统的微生物进化论提出了挑战,研究人员在论文中提出原核生物中蛋白质进化的首要推动力并非基因重复,而主要是通过不断从其他的微生物处获得基因而取得进化的。相关研究成果发表在1月27日的《科学公共图书馆•遗传学》(PLoS   Genetics)杂志上,这一研究成果或将改变科学家们研究模型生物学网络和蛋白质进化的方向。
                   “在去年夏季的大会上,科学家们就细菌基因组扩大主要是通过基因重复还是由于基因获取提出了争议,”耶鲁大学进化生物学家Howard   Ochman说道:“现在手边的这篇论文为这个问题做出了最好的解答。”
                     由于具有迅速修饰自身蛋白质成分的能力,原核生物(包括细菌和古生菌)在各种条件下均能旺盛地生长。原核生物的这种能力主要通过两种方式获得:第一种是通过从其他原核生物处获取基因即所谓的水平基因转移,这也是细菌对抗生素产生耐受的一种重要机制;第二种则是通过基因重复,通过重复拷贝已存在的基因,以突变累积的方式获取新的或加强的功能。
                     在过去的研究中科学家们针对少量的、关系较远的基因组进行分析并推测平行基因转移最多导致了25%的蛋白质家族扩增,生成了具有新功能或新结构的蛋白质。近期法国巴斯德研究所的研究人员Todd   Treangen和Eduardo   Rocha利用大量、紧密相关的原核生物基因进行了精密检测,确定了原核生物蛋白质进化的主要推动力。“我们针对基因组数据开展了更深入的研究,”现在马里兰大学就读博士后的Treangen说。
                     Todd   Treangen和Eduardo   Rocha针对来自原核生物8大进化枝的110个基因组展开了分析,集中研究了3190个确定的蛋白质家族。研究结果表明80-90%的蛋白质家族均是通过平行基因转移进行扩增。此外,研究人员还证实平行基因转移和基因重复这两种生物过程在进化中发挥着不同的作用:平行转移基因可以长久地存在于种群中,而重复基因则是短暂而广泛地进行表达。
                   “研究结果表明过去科学家们低估了基因转移在蛋白质多样化中的作用,”Treangen说。不过Treangen同时表示他们目前仅针对的存在于全世界的一小部分微生物,随着不断获得更多的基因组进一步的研究工作将继续开展下去。
                   “这对于在真核生物中针对这两个过程开展研究亦具有重要的意义,”英属哥伦比亚大学的分子进化生物学家Patrick   Keeling说道:“尽管目前已有大量关于真核生物平行基因转移的报道,但由于缺乏紧密相关的真核生物的基因组数据,开展相关检测仍颇为困难。新研究结果让我们不禁产生了一些兴趣和关注是否真核生物也是以同样的方式而取得进化的。”
            


            IP属地:山东6楼2011-02-07 17:42
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              不知道上面的文章能否说明一些问题,请注意各种资料的时间


              IP属地:山东7楼2011-02-07 17:43
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                细菌主要靠基因转移演化
                在一项新的研究中,马里兰大学的科学家发现细菌主要是通过吸收其他细菌的基因片段来演化出诸如抗生素抗性之类的新能力。这个观点与学界内普遍承认的微生物是通过体内复制基因片段来获取新能力的观点不太一样。
                微生物生存在各种各样的极端环境中,而这种很强的适应能力来源于它们的基因通过各种手段可以很快地对外界环境做出反应,这些手段包括吸收、丧失、修饰基因。微生物修饰基因的方法主要有两种:一种是多细胞生物的复制过程,另一种就是水平基因转移(horizontal gene transfer),即直接从其他微生物吸取基因片段。臭名昭著的抗生素抗药性即是由第二种方法传播的。
                研究者检测了大量的微生物基因数据,包括一些对人类有害的病原体,结果表明在微生物中基因的改变虽然即通过复制也通过水平基因转移获得,但是后者在微生物中占绝对优势。研究者最后说,对生物系统的演化过程的研究,可以有助于理解水平基因转移在蛋白质家庭扩大的过程中所起的主要作用。
                


                IP属地:山东8楼2011-02-07 22:15
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                  关于基因横向转移的有趣例子[讨论]  
                  作者:billy 点击:26 评分:0   2010-十月-25 06:35 下午
                    
                  关于基因横向转移的有趣例子
                  前几天听了个讲座,很有意思。主讲人研究的是一种病毒对毛虫的侵染,对毛虫行为的影响。简言之,这种病毒被毛虫吃下去后,会利用毛虫的细胞核复制,并且使得毛虫的肌肉蛋白溶解,最后就化成一滩脓水,灰常犀利。而且最狠的是,毛虫吃下病毒后,会产生典型的被控行为,即不断爬高,一直爬到植物的最顶端,然后直立身体,僵死在那里。这这种行为有助于其被鸟类发现,然后被吃掉,从而有助于此类病毒的传播。
                  他们已经识别了并克隆一个病毒的关键基因,名字忘了,暂时叫它G1。敲除G1,毛虫虽也会死亡,但上述被控爬高行为会消失。也就是说,这个G1基因,编码了某种控制毛虫行为的秘密。更为有趣的是,通过同源性分析,他们发现病毒的G1基因,在毛虫基因组上居然存在同源基因,暂时叫它G2,而且同源性非常高,但目前功能不明。目前的猜测是:此G1基因,最早是在病毒基因组上演化而来,后来由于毛虫食用带病毒的树叶,大量摄入病毒,此基因横向转移并整合于毛虫基因组上。
                  目前研究者猜测此种G2基因,在毛虫被病毒感染和行为控制的过程中,也起到了关键作用。这就好像病毒中了一个木马在毛虫体内,里应外合,玩毛虫于股掌之间。当然目前这只是推测,但同时表明,自然条件下基因横向转移,在低等动物之间,是非常普遍的。
                  比如微藻与细菌间就存在大量的互相交换基因(http://www.bioon.com/biology/postgenomics/402655.shtml
                  另外最近研究基因横向转移的技术也日益成熟(http://www.bioon.com/biology/Class18/366979.shtml
                  前几天讨论到转基因的时候,有朋友说实验室内向生物体内转入外源基因的成功率只有几十万分之一。本兔虽是生信专业,但本行是计算机技术,至今没下过实验室,实验层面的东西说不清。但那位朋友所说的实验技术,以下援引:
                  “在实验室里向细胞引入特定外源基因到底是什么几率(数据肯定不是非常精确,懂行的不要嘲笑): lots of pure gene copies + millons of cells = 几十万分之一的成功几率,这还得用特殊的buffer(平时细胞生活的环境成功率再降几个数量级), 用特定的载体(人工合成,增加各种成功几率,不用根本没辙), 用特定的手段(要么是1500+伏的短暂电击,要么是能在细胞膜上钻孔的buffer”
                  以本兔所知,目前的转基因技术,关键都在于vector(载体的选择),而载体一般都是用特异性转座子。如下文所示:
                  转座子在哺乳动物间的横向转移(http://www.scichina.com:8080/kxtb/CN/column/item260.shtml
                  特异性转座子是指对某种生物基因组有高度侵染率的转座子,待转基因一般会被事先整合在此转座子之上,其后转入宿主基因组的成功率是相当高的。目前的转基因技术,应该都是基于此。也就是说,转入生物体内的基因, 是有很好和很稳定的遗传性的。那么此外源基因,会不会通过自然接触和食物摄入,转入人体基因组呢,比如上述哺乳动物转座子引入的外源基因,此转座子对人类的侵染性能否被排除?
                  转基因安全,确实是值得研究的课题,而不是某些人所说的,是无知者的担忧。本兔不知道为什么,一讨论到对转基因技术的隐忧,总会有某些人跳出来,以叫兽的姿态给大家上课。好像所有对转基因持保留态度的人,就一定是受了媒体的蛊惑,或者干脆是根本没知识。
                  生物技术不像一般的民科,需要比较多的背景知识储备,这大概也是很难在科版这样定位的地方,在科学层面上讨论的原因。但是秉承科学的态度,此话题又正是大家概念模糊所在,所以本兔很想多说几句,always欢迎纯学术的正反意见。
                  


                  IP属地:山东9楼2011-02-07 22:19
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                    回复:9楼
                    转来让大家看看,我从发过一个寄生虫控制蚂蚁行为的帖子,貌似与这个想点相似啊


                    IP属地:山东10楼2011-02-07 22:22
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                      我想问下,这个和基因漂移是一回事吗?


                      IP属地:北京11楼2011-02-07 22:25
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                        科学家追踪到被复制基因 推动形态学演化(图)
                        新闻中心-中国网 china.com.cn/news     时间: 2009-09-09     责任编辑: 一言

                        研究人员利用斑马鱼找到了一个基因,正是它使得这条巨大的镜鲤生有少而大的鳞片。(图片提供:Oliver Hasselhoff)
                        长期以来,生物学研究一直被一个问题所困扰,那就是进化对基因的修修补补为何没有把生命变得一团糟。一种流行的理论认为,基因组拷贝了一些关键的基因,因此一旦有突变破坏了这些基因,生物体还留有一个备份。研究人员如今找到了新的证据,表明进化是按照这种方式工作的。
                        研究人员追踪到一种被复制的基因——在这种基因的作用下能够繁殖出所谓的镜子鱼,这些鱼拥有巨大且能够反射光线的鳞片。美国纽约州锡拉丘兹大学的进化生物学家R. Craig Albertson指出:“这是有关这种假设的一个很有价值的证据,它完美地阐释了基因和基因组复制如何推动形态学的演化。”
                        德国蒂宾根市马普学会发育生物学研究所的生物学家Matthew Harris和Nicholas Rohner,通过利用化学物质使斑马鱼的基因产生突变,进而开始了他们的实验。随后他们根据不寻常的特征筛查了发生突变的斑马鱼。其中的一个突变便是几乎全身没有鳞片,这不禁使人想起了镜鲤——为了容易打理而没有多少鳞片的一种鱼——的培育。研究人员最终将这一突变归结到一个名为纤维原细胞生长因子受体1(fgfr1)的基因。
                        由于这一基因发生的突变通常会导致哺乳动物和鱼类胚胎的死亡,因此Harris和Rohner推测,其在斑马鱼基因组中一定也会有一个“孪生兄弟”。事实果然如此。除了导致镜面鳞片的突变版本之外,研究人员还找到了fgfr1的一个无损版本。
                        为了研究复制和突变的过程是否也会发生在实验室之外,Harris和Rohner在镜鲤体内筛查了fgfr1。研究人员最终在两种镜鲤中发现了复制的fgfr1基因——其中的一个副本丢失了孪生基因所具有的111个碱基,而另一个副本则有一个碱基与孪生基因不同。研究人员推测,正是这两个副本导致了较少的鳞片。研究小组在9月3日的《当代生物学》(Current Biology)网络版上报告了这一研究成果。
                        这是Harris和Rohner发现的第一个经过复制的基因,但是他们希望能够找到更多这样的基因。在斑马鱼的17000多个基因中,大约有25%的基因都是经过复制的,同时与经过驯化的动物一样,这些突变也应当存在于野生动物体内。(群芳译自 www.science.com,9月8日)
                        


                        IP属地:山东12楼2011-02-07 22:28
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                          藻类证明达尔文错了
                               5.4亿年前的寒武纪生物大爆发是生物演化历史中的一次令人瞩目的事件,在寒武纪之前的岁月中,地球上的生物似乎十分稀少,只有少量的细菌和蓝藻。但是在接近寒武纪开始的时候,生物界却神秘地爆发了,各种各样的生物大量出现,地球变得生机勃勃。
                               多细胞动物是渐变产生的吗?
                               英国著名生物学家达尔文首先注意到了寒武纪大爆发这个现象,由于他坚持生物进化是渐变的这一观点,因此他并不认为寒武纪真的出现了一次生物突然繁盛的事件,而是认为,在空空荡荡的前寒武纪和接下来的生物喧闹的寒武纪之间,应该还有一个生物逐渐繁盛的时间段,生物的进化是渐变的,由种类、数量稀少变得逐渐增多,直至繁盛。可是,由于这个时间段的地层缺失了,也许是被流水侵蚀或风化掉了,其中含有的生物化石也随之消失,这样缺乏化石的前寒武纪地层就直接与生物繁盛的寒武纪地层接壤了,因此我们现在看起来,生物好像突然一下子增多了,如同爆发一般,这不过是由于地层缺失而制造的假象。
                               达尔文之后,人们对化石的研究否定了他的猜测,许多古生物学家如今认为,寒武纪大爆发的确存在,正是在那个时候,生物界由单细胞生物演变出了多细胞生物,多细胞生物在地球上大肆扩张,产生了这次大爆发。
                               可是达尔文并没完全输掉这场争论,因为在早于寒武纪的很古老的地层中,人们虽然几乎没有发现多细胞生物的化石,但是却发现了许多尺寸很大的遗迹化石,比如生物的爬痕,这似乎不可能是微小的单细胞生物留下的,很可能是大型的多细胞生物的遗迹。
                               从这个角度分析,多细胞生物也许在地球历史早期就出现了,它们并不是寒武纪大爆发时才出现在地球上的,只是它们当时并不繁盛,没有留下确凿的化石,只留下了遗迹。逐渐地,它们越来越多,到寒武纪变得繁盛起来。正是由于地层的缺失,虽然看上去多细胞动物是在寒武纪突然出现,其实它们早就出现了。因此,达尔文认为生物是渐变的观点并没有被推翻。
                               单细胞也有大作品
                               不过,美国得克萨斯大学的科学家发现了一种藻类,给达尔文的观点以致命的一击。这种生物属于单细胞的湾藻,是微小的变形虫的远亲。这种湾藻直径可达到3厘米,同自己的微观亲戚们相比,它们的体形十分巨大。过去科学家曾经发现过葡萄形状的湾藻,它们静静地躺在阿拉伯海的海底,并不移动。可是这次发现的湾藻不仅体形大,而且还能活动!它们生活在靠近巴哈马海岸的海底,科学家发现它们时,能够很清楚地看到,这种生物在海底淤泥中留下了50厘米长的痕迹,痕迹像是汽车在泥地中压出的两道沟槽,只不过沟槽中还有一些横向的脊状突起。
                               如果让一位从来没有见过湾藻的古生物学家来观察这些痕迹,他会毫不怀疑地断定,这种遗迹是大型、多细胞、对称体形的动物留下的。可事实是,这是一种巨大的单细胞动物的杰作。而且,这种湾藻很可能是目前已知的最古老的活化石了。科学家对其进行了基因分析,发现它非常古老。而在18亿年前的澳大利亚地层中的化石里,人们发现了类似湾藻的东西,而且旁边还发现了盘子形状的生物躯体印痕,很像现代的湾藻。虽然科学家还不能断定那就是湾藻,但是他们确定,那肯定是当时的大型生物的化石(在当时由单细胞主宰的生物界,几厘米长的生物已经是大家伙了)。
                               如果湾藻确实十分古老,这意味着什么呢?
                               在远古就存在着能够产生明显遗迹的单细胞生物,人们在岩石中发现的许多遗迹化石,很可能不是多细胞生物的产物,而是单细胞生物的杰作。因此,达尔文的判断的确错了,多细胞生物更可能是寒武纪大爆发时出现的,生物界在寒武纪开始时确实发生了突变,生物并不总是缓慢地渐变的。(摘自《大科技》)
                          


                          IP属地:山东13楼2011-02-07 22:35
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                            IP属地:山东15楼2011-11-19 10:12
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