细菌能时常移动基因并彼此交换,在环境改变时,留下有用的、淘汰没用的基因,所以它们是世上适应力最高的生物之一。虽然在一些亲源相近却不同寄主的菌种中,常拥有功能相同但序列迥异的基因,表示这些基因应该是来自于各自的寄主,不过对于基因是否能在不同生物界(kingdoms)之间的移转,一直无法得到明确的证据。德国海德堡欧洲分子生物学实验室的计算生物学家和疟疾研究人员组成的研究小组,最近在发表于Genome Biology的文章中表示,一个专门在动物体内产生alpha 2-巨球蛋白(α2-macroglobulin, α2M)的基因,也在某些细菌中发现。
α2M是一种蛋白分解蛋白酶的抑制物,当遭受外来细菌入侵,α2M便会把细菌的蛋白酶抓起来,让细菌无法再更深入体内扩散。这对动物来说是种十分便利的防御机制,所以从大螃蟹到人,几乎所有动物都保留了这个基因。不过一般认为除了动物,其它生物界都没有此基因。所以,当研究小组在超过三十种细菌的体内发现这个基因时,着实吓了一跳。深入研究发现,这些细菌虽然具有共同的特征--绝大多数是在动物体内寄生并造成疾病,但在演化树上的关系却是平行的。经过胺基酸序列比对发现,后生动物(metazoan)的α2M蛋白质与细菌该蛋白质是同源的(homologous);而拥有α2M的数十种细菌,本身在系统发生学中呈现零散的分布,并不符合垂直演化的模型。
因为在其它生物界都缺少α2M这个基因,研究人员认为对此现象最有可能的解释是:早期的细菌祖先从原始动物寄主如后生动物身上「偷」到α2M基因而后,再借着基因重组或交换,将此基因与其它细菌共享。虽然研究人员尚无法排除其它的可能性,譬如此基因可能只是在植物、真菌等生物界演化过程被弄丢罢了。不过就机率来说,在这「偷窃模式」中一次单纯的基因转换,总是比要在不同物种中不断丧失同个基因容易得多。
α2M到了细菌体内后,真正的作用为何?根据在大肠杆菌(Escherichia coli)的研究大略得知,细菌型α2M可能具有阻碍寄主反微生物防御机制的功能,可帮助细菌在寄主体内扩散,修补被寄主破坏的细胞壁,但与毒性强弱没有关系。不过它真正的功能还需要更深入探讨。而因细菌型α2M是一种细菌膜间质蛋白质(periplasmic proteins),容易受抗体影响,这项特性也将替未来疫苗研究提供新的方向。
原文:
A. Budd et al. Bacterial α2-macroglobulins: colonization factors acquired by horizontal gene transfer from the metazoan genome? Genome Biology 5:R38 (May 2004) doi:10.1186/gb-2004-5-6-r38