小偷無(wú)處不在,，不光人類(lèi)社會(huì)里有小偷這個(gè)行當(dāng),，連病毒世界也有小偷的存在。分子生物學(xué)家發(fā)現(xiàn),，一種專門(mén)攻擊藍(lán)藻的病毒,，在漫長(zhǎng)的、與藍(lán)藻一起進(jìn)化的過(guò)程中獲得了藍(lán)藻的光合作用基因,，并且利用這個(gè)基因使自己更好地存活下來(lái),。
藍(lán)藻又被稱為藍(lán)細(xì)菌，是海洋中最常見(jiàn)的一種細(xì)菌,，一毫升海水中藍(lán)藻細(xì)胞的數(shù)量就超過(guò)了100萬(wàn)個(gè),。這種單細(xì)胞生物沒(méi)有葉綠體，僅有十分簡(jiǎn)單的光合作用結(jié)構(gòu)裝置,，卻能像高等植物一樣進(jìn)行光合作用,。藍(lán)藻負(fù)責(zé)了海洋中將近一半，也就是全球四分之一的光合作用,，隨著全球變暖趨勢(shì)的日益明顯,，藍(lán)藻的作用也越來(lái)越引人注目。目前,，人們對(duì)藍(lán)藻的認(rèn)識(shí)還比較膚淺,，2003年藍(lán)藻的全基因組測(cè)序完成后，一些實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了對(duì)藍(lán)藻的分類(lèi),、進(jìn)化以及基因表達(dá)調(diào)控方面的研究,。
隨著對(duì)藍(lán)藻研究的深入，藍(lán)藻病毒(也叫噬菌體)也走進(jìn)了研究人員的視野,。
一個(gè)令人驚訝的基因
藍(lán)藻的噬菌體大多屬于溶菌性的,，噬菌體感染藍(lán)藻后,在藍(lán)藻體內(nèi)大量合成子代噬菌體，然后將藍(lán)藻裂解,，從而釋放子代,，并且繼續(xù)感染附近的藍(lán)藻。令人費(fèi)解的是,，雖然海洋中存在著無(wú)數(shù)藍(lán)藻,，而且也有數(shù)目更多的藍(lán)藻噬菌體,，可是藍(lán)藻并沒(méi)有“全軍覆沒(méi)”。這是為什么,？
按照一般邏輯來(lái)說(shuō),，如果噬菌體把藍(lán)藻全部消滅掉，那么它自己也就再?zèng)]有寄主可以入侵,，這樣一來(lái),，它將看到自己的末日。所以,，噬菌體和寄主總會(huì)維持在一個(gè)平衡狀態(tài),，使得自己的后代不斷傳播下去。但是這其中有什么分子生物學(xué)原理,，到現(xiàn)在人們還不是很清楚,。
為了更好地研究藍(lán)藻噬菌體，英國(guó)華威大學(xué)Nicholas H.Mann領(lǐng)導(dǎo)的研究小組于2003年完成了某種藍(lán)藻噬菌體的全基因組測(cè)序工作,。
我們知道,，噬菌體大多是蝌蚪型的，包括蛋白質(zhì)外殼組成的頭部和細(xì)長(zhǎng)的尾部,。噬菌體的遺傳物質(zhì)DNA或RNA被包裹在頭部,，入侵細(xì)菌后，會(huì)修飾自身和細(xì)菌的DNA,，并且控制細(xì)菌體內(nèi)的各種代謝途徑,。所以這個(gè)全長(zhǎng)約194kb(千堿基)的藍(lán)藻噬菌體的基因組里,，包含了噬菌體通常擁有的外殼蛋白基因,、尾部蛋白基因、DNA修飾酶基因,，以及控制宿主細(xì)菌代謝途徑所需的基因,。出乎意料的是，在一段3.8kb長(zhǎng)的DNA片段上,，研究人員發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)從未在噬菌體中發(fā)現(xiàn)過(guò)的基因,。通過(guò)DNA序列的比較，人們驚訝地發(fā)現(xiàn),，這兩個(gè)基因居然與藍(lán)藻的光合作用基因有著高度的相似性,！
偷一個(gè)基因做什么？
人們發(fā)現(xiàn)的這兩個(gè)和光合作用有關(guān)的基因,，能表達(dá)光合作用系統(tǒng)所需的一種主要蛋白,，這在藻類(lèi)和綠色植物中是件再正常不過(guò)的事情，但在噬菌體內(nèi)出現(xiàn)卻令人感到困惑,。作為噬菌體來(lái)說(shuō),，一旦離開(kāi)細(xì)菌,，就不會(huì)表現(xiàn)出生命特征，所以不能單獨(dú)進(jìn)行光合作用,；它靠寄主的能量維持生活,，所以也沒(méi)有進(jìn)行光合作用的必要。那么,，對(duì)噬菌體來(lái)說(shuō),，這個(gè)光合作用基因有什么用呢？
事實(shí)是這樣的,，海洋中的光線通常比較強(qiáng)烈,，在藍(lán)藻體內(nèi)，這種光合作用基因所表達(dá)的特定蛋白經(jīng)常會(huì)因?yàn)楣鈸p傷而失活,，這時(shí)藍(lán)藻會(huì)合成新的蛋白用來(lái)替換受損蛋白,。但是，如果光線強(qiáng)烈到這種特定蛋白失活的速度大于藍(lán)藻合成新蛋白的速度,，藍(lán)藻的光合效率就會(huì)下降,，從而合成的能量減少。并且,，一旦被噬菌體入侵,，藍(lán)藻的蛋白合成便會(huì)停止，受損的特定蛋白就沒(méi)有辦法被修復(fù),，這樣一來(lái),，藍(lán)藻合成的能量也將逐漸減少，從而導(dǎo)致依賴于藍(lán)藻進(jìn)行繁殖的噬菌體也無(wú)法繁殖,。
假如噬菌體也攜帶有這種光合作用基因會(huì)怎么樣呢,？它本身所表達(dá)的特定蛋白不就可以修補(bǔ)藍(lán)藻的光合作用系統(tǒng)，使得藍(lán)藻能繼續(xù)合成能量,，從而被噬菌體用來(lái)繁殖更多的子代,？Nicholas H.Mann在2003年的《自然》(Nature)雜志上對(duì)此發(fā)表了簡(jiǎn)要的推測(cè)。他們根據(jù)噬菌體這個(gè)光合作用基因與藍(lán)藻光合作用基因的高度相似性,，推測(cè)噬菌體的光合作用基因也能夠表達(dá)出具有活性的光合作用蛋白,，并且可以被藍(lán)藻的光合作用系統(tǒng)所利用。這樣一來(lái),，噬菌體基因組上的這個(gè)光合作用基因就可以使得被入侵的藍(lán)藻產(chǎn)生更多的能量,，用以幫助噬菌體更好地在藍(lán)藻內(nèi)繁殖。
這個(gè)設(shè)想得到了美國(guó)麻省理工學(xué)院Sallie W.Chisholm的小組的支持,，他們的研究成果發(fā)表在2003年的《自然》雜志上,。他們先在溶液中培養(yǎng)藍(lán)藻直到合適的濃度，然后加入噬菌體，在噬菌體入侵藍(lán)藻后的不同時(shí)間間隔收集藍(lán)藻樣品,，隨后,，破碎藍(lán)藻細(xì)胞后離心提取蛋白，然后將藍(lán)藻蛋白和噬菌體蛋白分離開(kāi),。
研究人員發(fā)現(xiàn),，噬菌體的這種光合作用基因在它們感染藍(lán)藻后會(huì)表達(dá)出來(lái)，而且蛋白的表達(dá)量隨著感染時(shí)間的增加而增加,，但是藍(lán)藻本身蛋白的表達(dá)量卻隨著被感染時(shí)間的增加而減少,。他們還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，噬菌體在藍(lán)藻體內(nèi)繁殖的速度和藍(lán)藻光合作用的速度成正比,。實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)結(jié)果支持了他們的設(shè)想：噬菌體的光合作用基因可以幫助修復(fù)藍(lán)藻的光合作用系統(tǒng),，從而使噬菌體更好地繁殖。
從哪里偷來(lái)的基因,？
但是,，這個(gè)只存在于藻類(lèi)和綠色植物中、并非噬菌體常有和必需的基因,，是從哪里來(lái)的,？Sallie W.Chisholm在2006年通過(guò)生物信息學(xué)的手段回答了這個(gè)問(wèn)題，研究論文發(fā)表在同年的《PLoS生物學(xué)》雜志上,。
他們從海水中分離出了更多種類(lèi)的藍(lán)藻噬菌體,，并且將他們分別培養(yǎng)，接著提取每種噬菌體的DNA,。他們擴(kuò)增出了這些噬菌體DNA上的光合作用基因,，發(fā)現(xiàn)它們中88%都含有這種特殊的光合作用基因。接著,，他們把這些擴(kuò)增出來(lái)的光合作用基因分別測(cè)序,，然后利用軟件把來(lái)自不同噬菌體的光合作用基因的序列和藍(lán)藻的光合作用基因的序列排列在一起，用生物信息學(xué)的方法畫(huà)出了表示不同物種進(jìn)化關(guān)系的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù),。在藍(lán)藻和噬菌體光合作用基因構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上,，代表不同噬菌體的樹(shù)枝聚在了一起,，它們都發(fā)源于一條代表藍(lán)藻的更大的樹(shù)枝,，這表明噬菌體的光合作用基因來(lái)源于藍(lán)藻。
這樣,，經(jīng)過(guò)近3年的努力,，生物學(xué)家終于弄清了噬菌體中這個(gè)罕見(jiàn)的光合作用基因的來(lái)龍去脈。但是噬菌體究竟怎樣獲得了這個(gè)基因,？藍(lán)藻有沒(méi)有相關(guān)機(jī)制去阻止噬菌體竊取它的基因,？這些有趣的問(wèn)題還有待科學(xué)家繼續(xù)研究。說(shuō)不定藍(lán)藻也竊取了噬菌體的某個(gè)基因,，用來(lái)阻止噬菌體的入侵,。
生物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中為了更好地適應(yīng)環(huán)境,，發(fā)展出很多復(fù)雜而巧妙的方法，這個(gè)偷來(lái)的光合作用基因就是其中一個(gè)有趣的例子,。
