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蓝藻病毒偷走蓝藻的光合作用基因

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【导读】小偷无处不在,不光人类社会里有小偷这个行当,连病毒世界也有小偷的存在。分子生物学家发现,一种专门攻击蓝藻的病毒,在漫长的、与蓝藻一起进化的过程中获得了蓝藻的光合作用基因,并且利用这...

小偷无处不在,不光人类社会里有小偷这个行当,连病毒世界也有小偷的存在。分子生物学家发现,一种专门攻击蓝藻的病毒,在漫长的、与蓝藻一起进化的过程中获得了蓝藻的光合作用基因,并且利用这个基因使自己更好地存活下来。
蓝藻又被称为蓝细菌,是海洋中最常见的一种细菌,一毫升海水中蓝藻细胞的数量就超过了100万个。这种单细胞生物没有叶绿体,仅有十分简单的光合作用结构装置,却能像高等植物一样进行光合作用。蓝藻负责了海洋中将近一半,也就是全球四分之一的光合作用,随着全球变暖趋势的日益明显,蓝藻的作用也越来越引人注目。目前,人们对蓝藻的认识还比较肤浅,2003年蓝藻的全基因组测序完成后,一些实验室开始了对蓝藻的分类、进化以及基因表达调控方面的研究。
随着对蓝藻研究的深入,蓝藻病毒(也叫噬菌体)也走进了研究人员的视野。

一个令人惊讶的基因
蓝藻的噬菌体大多属于溶菌性的,噬菌体感染蓝藻后,在蓝藻体内大量合成子代噬菌体,然后将蓝藻裂解,从而释放子代,并且继续感染附近的蓝藻。令人费解的是,虽然海洋中存在着无数蓝藻,而且也有数目更多的蓝藻噬菌体,可是蓝藻并没有“全军覆没”。这是为什么?
按照一般逻辑来说,如果噬菌体把蓝藻全部消灭掉,那么它自己也就再没有寄主可以入侵,这样一来,它将看到自己的末日。所以,噬菌体和寄主总会维持在一个平衡状态,使得自己的后代不断传播下去。但是这其中有什么分子生物学原理,到现在人们还不是很清楚。
为了更好地研究蓝藻噬菌体,英国华威大学NicholasH.Mann领导的研究小组于2003年完成了某种蓝藻噬菌体的全基因组测序工作。
我们知道,噬菌体大多是蝌蚪型的,包括蛋白质外壳组成的头部和细长的尾部。噬菌体的遗传物质DNA或RNA被包裹在头部,入侵细菌后,会修饰自身和细菌的DNA,并且控制细菌体内的各种代谢途径。所以这个全长约194kb(千碱基)的蓝藻噬菌体的基因组里,包含了噬菌体通常拥有的外壳蛋白基因、尾部蛋白基因、DNA修饰酶基因,以及控制宿主细菌代谢途径所需的基因。出乎意料的是,在一段3.8kb长的DNA片段上,研究人员发现了两个从未在噬菌体中发现过的基因。通过DNA序列的比较,人们惊讶地发现,这两个基因居然与蓝藻的光合作用基因有着高度的相似性!

偷一个基因做什么?
人们发现的这两个和光合作用有关的基因,能表达光合作用系统所需的一种主要蛋白,这在藻类和绿色植物中是件再正常不过的事情,但在噬菌体内出现却令人感到困惑。作为噬菌体来说,一旦离开细菌,就不会表现出生命特征,所以不能单独进行光合作用;它靠寄主的能量维持生活,所以也没有进行光合作用的必要。那么,对噬菌体来说,这个光合作用基因有什么用呢?
事实是这样的,海洋中的光线通常比较强烈,在蓝藻体内,这种光合作用基因所表达的特定蛋白经常会因为光损伤而失活,这时蓝藻会合成新的蛋白用来替换受损蛋白。但是,如果光线强烈到这种特定蛋白失活的速度大于蓝藻合成新蛋白的速度,蓝藻的光合效率就会下降,从而合成的能量减少。并且,一旦被噬菌体入侵,蓝藻的蛋白合成便会停止,受损的特定蛋白就没有办法被修复,这样一来,蓝藻合成的能量也将逐渐减少,从而导致依赖于蓝藻进行繁殖的噬菌体也无法繁殖。
假如噬菌体也携带有这种光合作用基因会怎么样呢?它本身所表达的特定蛋白不就可以修补蓝藻的光合作用系统,使得蓝藻能继续合成能量,从而被噬菌体用来繁殖更多的子代?NicholasH.Mann在2003年的《自然》(Nature)杂志上对此发表了简要的推测。他们根据噬菌体这个光合作用基因与蓝藻光合作用基因的高度相似性,推测噬菌体的光合作用基因也能够表达出具有活性的光合作用蛋白,并且可以被蓝藻的光合作用系统所利用。这样一来,噬菌体基因组上的这个光合作用基因就可以使得被入侵的蓝藻产生更多的能量,用以帮助噬菌体更好地在蓝藻内繁殖。
这个设想得到了美国麻省理工学院SallieW.Chisholm的小组的支持,他们的研究成果发表在2003年的《自然》杂志上。他们先在溶液中培养蓝藻直到合适的浓度,然后加入噬菌体,在噬菌体入侵蓝藻后的不同时间间隔收集蓝藻样品,随后,破碎蓝藻细胞后离心提取蛋白,然后将蓝藻蛋白和噬菌体蛋白分离开。
研究人员发现,噬菌体的这种光合作用基因在它们感染蓝藻后会表达出来,而且蛋白的表达量随着感染时间的增加而增加,但是蓝藻本身蛋白的表达量却随着被感染时间的增加而减少。他们还进一步发现,噬菌体在蓝藻体内繁殖的速度和蓝藻光合作用的速度成正比。实验的观测结果支持了他们的设想:噬菌体的光合作用基因可以帮助修复蓝藻的光合作用系统,从而使噬菌体更好地繁殖。

从哪里偷来的基因?
但是,这个只存在于藻类和绿色植物中、并非噬菌体常有和必需的基因,是从哪里来的?SallieW.Chisholm在2006年通过生物信息学的手段回答了这个问题,研究论文发表在同年的《PLoS生物学》杂志上。
他们从海水中分离出了更多种类的蓝藻噬菌体,并且将他们分别培养,接着提取每种噬菌体的DNA。他们扩增出了这些噬菌体DNA上的光合作用基因,发现它们中88%都含有这种特殊的光合作用基因。接着,他们把这些扩增出来的光合作用基因分别测序,然后利用软件把来自不同噬菌体的光合作用基因的序列和蓝藻的光合作用基因的序列排列在一起,用生物信息学的方法画出了表示不同物种进化关系的系统发育树。在蓝藻和噬菌体光合作用基因构建的系统发育树上,代表不同噬菌体的树枝聚在了一起,它们都发源于一条代表蓝藻的更大的树枝,这表明噬菌体的光合作用基因来源于蓝藻。
这样,经过近3年的努力,生物学家终于弄清了噬菌体中这个罕见的光合作用基因的来龙去脉。但是噬菌体究竟怎样获得了这个基因?蓝藻有没有相关机制去阻止噬菌体窃取它的基因?这些有趣的问题还有待科学家继续研究。说不定蓝藻也窃取了噬菌体的某个基因,用来阻止噬菌体的入侵。
生物在漫长的进化过程中为了更好地适应环境,发展出很多复杂而巧妙的方法,这个偷来的光合作用基因就是其中一个有趣的例子。


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2018-11-08 09:23:03
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