古細菌基因或為人類視力起源

眼睛是複雜的器官，連「演化之父」達爾文也無法解釋該器官是如何產生出來。不過，最新刊於《美國國家科學院院刊 (PNAS) 》的研究指出，有脊椎動物眼睛的演化竟然來自細菌，這些細菌提供了一個參與視網膜對光反應的關鍵基因，揭示了從其他物種借來的基因對演化非常重要。

眾所周知，細菌很容易交換基因，以稱為轉座子 (transposon) 的可移動 DNA 片段，甚至是自由漂浮的 DNA 進入病毒或其他細菌中。事實上，有脊椎動物也可以吸收微生物基因。 2001 年首次對人類基因組進行測序時，學者發現人類基因組中也包含大約 200 個可能源自細菌的基因。

由加州大學聖地亞哥分校生物化學家 Matthew Daugherty 領導的團隊，希望在這些發現的基礎上有所改進。團隊利用電腦軟件通過在數百種其他物種中尋找相似基因序列，來追踪數百個人類基因的演化歷史。

似乎首先出現在有脊椎動物中，並且在其他早期動物中無這些基因，尤其是在現代微生物中也有對應的基因，就很大機會是由細菌取得的候選者。

團隊發現簡稱為 IRBP（感光器間視黃醇結合蛋白）基因極有機會來自細菌。該基因已知對於視力很重要，其編碼的蛋白質存在於視網膜，以及覆蓋在視網膜上的一層視網膜色素上皮細胞之間的空間中。

在有脊椎動物的眼睛中，當光線照射到視網膜中的感光细胞時，維他命 A 複合物會出現扭結，從而引發激活視覺神經的電脈衝。然後 IRBP 將這些分子轉移到上皮細胞以解開扭結。最終，將恢復的分子穿梭感光细胞。換言之， IRBP 對於所有有脊椎動物的視力來說不可或缺。

團隊指，有脊椎動物的 IRBP 最類似於一類稱為肽酶 (pepsidases) 的細菌基因，此蛋白質可幫助回收其他蛋白質。由於 IRBP 存在於所有有脊椎動物中，但通常不存在於其最親近的無脊椎動物親屬中，因此團隊提出，在 5 億多年前有微生物將一種肽酶基因轉移到了所有現存有脊椎動物的祖先中。

當基因被吸收後，肽酶的蛋白質回收功能喪失，基因亦自我複制兩次，這解釋為何 IRBP 有 4 個原始肽酶 DNA 副本。 Daugherty 認為，即使在微生物祖先中，肽酶也可能具有與感光分子結合的能力，其他隨後的突變完成了向分子的轉變。

並非所有學者都同意 IRBP 的演化對有脊椎動物視力是關鍵，但馬里蘭大學醫學院基因組科學研究所基因組生物學家 Julie Dunning Hotopp 指出，無論如何，研究都支持水平基因轉移有助於賦予生物一些新功能的觀點。一旦這些基因在新物種中紮根，演化就可以對這些新獲得的基因進行修補，以產生全新的能力或增強現有能力。

來源：
Science, An ancient gene stolen from bacteria set the stage for human sight

報告：
Kalluraya, C.A., Weitzel, A.J., Tsu, B.V. and Daugherty, M.D. (2023). Bacterial origin of a key innovation in the evolution of the vertebrate eye. PNAS 120 (16) e2214815120. doi: 10.1073/pnas.2214815120

文／AC