真菌從細菌中竊取基因

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為了在野外複雜而有趣的環境中生存,細菌在其細胞內製造了整套化學產品。這些化學物質用於細菌細胞之間的訊號傳遞、防禦和通訊。其中一組特殊的化學物質被稱為聚酮化合物,我個人對它情有獨鍾,因為我的學位專案就是研究聚酮化合物。幾種抗生素是聚酮化合物,因此它們對細菌來說是非常有用的東西。

聚酮化合物不僅僅存在於細菌中,也存在於植物、真菌、原生生物甚至一些動物中。它們最常見於具有互利共生關係的生物體中,例如海綿群落和昆蟲的共生細菌。這可能是因為它們作為訊號分子的作用。特別是地衣化真菌,即與藻類或綠細菌(藍細菌)共生的真菌,含有大量的聚酮化合物。然而,更仔細地檢查發現,其中只有 10% 與植物聚酮化合物有關,其餘的則更為獨特。

由於聚酮化合物是模組化基因,因此相對容易進化出新的聚酮化合物。基因組片段的意外重複可以新增大量新模組,然後這些模組可以多樣化為新的和令人興奮的用途。如果一個基因添加了一個 -COOH 基團,而另一個基因添加了一個 -CH3 基團,那麼這些基因的重複意味著您的分子突然擁有兩個 -COOH 基團和兩個 -CH3 基團,以及一堆新的分子特性。雖然許多新的真菌聚酮化合物將在真菌內部進化,但也有強烈的暗示表明,其中一部分最初來自細菌。製造聚酮化合物的基因非常接近被稱為“移動元件”的基因,後者是特別擅長在細胞內外跳躍的 DNA 片段。此外,聚酮化合物基因的密碼子(將 DNA 轉化為蛋白質的程式碼)比其他真菌或植物的密碼子更像細菌的密碼子。


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對於任何對分類學感興趣的人來說,本文(參考文獻如下)中有一些有趣的進化枝圖。它們似乎表明,一組來自細菌的聚酮化合物基因被真菌吸收,並在真菌內部進化,形成了地衣化真菌特有的新型聚酮化合物。這些基因並非存在於所有型別的地衣化真菌中,這表明它們已從不需要它們的物種中丟失。由於聚酮化合物基因往往相當大且體積龐大(至少對於細菌而言,在較大的真核生物基因組內部可能沒那麼重要!),如果發現它們沒有用,那麼它們會被悄悄丟棄是有道理的。

真菌竊取細菌基因組片段也並非不可能。真菌和細菌在自然界中佔據許多相同的生態位,並且可以形成非常緊密的半互利共生夥伴關係。甚至有化石證據表明,古代類地衣生物是由真菌和藍細菌之間的共生相互作用形成的。雖然很容易認為真菌是從它們旁邊的藍細菌那裡獲取了聚酮化合物基因,但這些基因似乎更類似於土壤細菌的基因,而不是藍細菌的基因。然而,像任何其他生物體一樣,地衣並非作為孤立的實體存在,而是被土壤、汙垢、寄生蟲、其他真菌和其他細菌包圍。其中將包括大量與真菌非常接近的土壤細菌,當然也足夠接近以進行基因交換。

因此,總的來說,看起來真菌從土壤細菌中獲取了一組非常有用的訊號和防禦分子。在真菌內部,這些基因隨後繼續進化和發展,形成了真菌特有的且非常有用的基因小群。

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Schmitt I, & Lumbsch HT (2009). 古老的細菌水平基因轉移增強了真菌的生物合成能力。PloS one, 4 (2) PMID: 19212443

About S.E. Gould

A biochemist with a love of microbiology, the Lab Rat enjoys exploring, reading about and writing about bacteria. Having finally managed to tear herself away from university, she now works for a small company in Cambridge where she turns data into manageable words and awesome graphs.

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