地球强悍动物水熊虫：基因组测序解开秘密

2015-12-14 MedSci MedSci原创

MedSci小编说——这东东与医学没有神马关系，小编为什么要摘录呢？更多的希望带给大家一些灵感。动物，疾病都一样，有常规的，也有令人难以置信的一面，都需要大家不断思考与探索。缓步动物（tardigrade），更常见的俗名是“水熊虫”，因为它看起来像可爱的多腿小熊。这种微小的动物对几乎所有的东西都有抵抗力：煮，冻，辐射，丢真空——它都很难死掉，可以说是地球上最强悍的生物之一。因此，生物学界对水熊虫不

MedSci小编说——

这东东与医学没有神马关系，小编为什么要摘录呢？更多的希望带给大家一些灵感。动物，疾病都一样，有常规的，也有令人难以置信的一面，都需要大家不断思考与探索。

缓步动物（tardigrade），更常见的俗名是“水熊虫”，因为它看起来像可爱的多腿小熊。这种微小的动物对几乎所有的东西都有抵抗力：煮，冻，辐射，丢真空——它都很难死掉，可以说是地球上最强悍的生物之一。因此，生物学界对水熊虫不仅叹为观止，而且视之为研究瑰宝，期望它会带来可与果蝇相比拟的贡献。

水熊也称水熊虫（Water Bear），是对缓步动物门生物的俗称，有记录的约有900余种，其中许多种是世界性分布的。水熊体型极小，必须用显微镜才能看清，身体表层覆盖着一层水膜，用于避免身体干燥，同时可呼吸水膜中的氧气。主要生活在淡水的沉渣、潮湿土壤以及苔藓植物的水膜中，少数种类生活在海水的潮间带。大部分靠尖锐的吸针吸食动植物细胞里的汁液为生，一小部分为食肉动物（Carnivore)。最大的特点是它从卵里生出来就已成年，无童年时期，身体里细胞的数量终生都不再改变。

水熊是地球上已知生命力最强的生物，可以在没有防护措施的条件下在外太空生存，在喜马拉雅山脉（6000m 以上，曾在5546米处发现过）、温泉、南极和深海（4000m 以下）都能生存。缓步动物门具有全部四种隐生（Cryptobiosis）性（即低湿隐生Anhydrobiosis、低温隐生（Cryobiosis）、变渗隐生（Osmobiosis）及缺氧隐生（Anoxybiosis）），能够在恶劣环境下停止所有新陈代谢。缓步动物也因此被认为是生命力最强的动物。在隐生的情况下，一般可以在高温（151°C）、接近绝对零度（最高纪录-272.8°C）、高辐射、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等。曾经有缓步动物隐生超过120年的记录。

为什么水熊虫生命力如此顽强？

最近，来自北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC）的研究人员，对这种几乎坚不可摧的缓步动物进行了基因组测序，并发现了一些他们意想不到的事情：它们基因组的一大部分——近六分之一或百分之17.5，是来自于外源DNA。

本文共同作者、UNC艺术与科学学院生物系教师Bob Goldstein指出：“我们并不知道，一个动物的基因组，是由这么多的外源DNA组成。我们知道，许多动物都获得了外源基因，但我们不知道，它会发生到如此程度。”

这项工作，发表在十一月二十三日的《PNAS》，不仅提出了“外源基因和水熊虫在极端环境中的生存能力之间是否存在关联？”的问题，而且进一步延伸了“DNA是如何遗传的”的传统观念。

本文第一作者Thomas Boothby和Goldstein及其同事们发现，水熊虫获得的约6000个外源基因来自于细菌，但也来自于植物、真菌和细菌，通过一个被称为水平基因转移（horizontal gene transfer）的过程——遗传物质在物种之间交换，而不是仅从亲本那里遗传DNA。之前另一个微观动物（称为轮虫rotifer）是具有最多外源DNA的记录保持者，但其具有的外源DNA只是水熊虫的大约一半。相比之下，大多数动物的基因组中，只有百分之一的基因组来自于外源基因。

Goldstein实验室博士后Boothby称：“可以生存在极端压力条件下的动物，可能特别容易获得外源基因——细菌的基因可能比动物更能承受压力。”毕竟，细菌在地球上最极端的环境中已经生存了数十亿年。

研究小组推测，DNA是随机地进入基因组，但是保留下来的基因，让水熊虫能够生存在恶劣的环境中，例如，把水熊虫放在零下80摄氏度冰箱一年，甚至十年后，在解冻后20分钟它又开始四处活动。

Boothby和Goldstein认为，当水熊虫处于极端的压力条件（如干燥条件或极端干燥）时，水熊虫的DNA断裂成小碎片。当细胞补充水份时，细胞膜和细胞核（DNA的保存之处），变得暂时泄漏，DNA和其他大分子可容易地通过。当细胞补充水分后，水熊虫不仅可以修复自己受损的DNA，而且也将来自不同物种的DNA嵌入自己的基因组中。

Boothby说：“我们想起生命树，遗传物质从亲本垂直传递下来。但是随着基因水平转移这个概念越来越被广泛接受，并且更广为人知，至少在某些生物体中，它正开始改变我们思考‘进化和遗传物质传递以及基因组稳定性’的方式。因此，我们不是考虑生命之树，而是可以考虑生命之网，以及从分支到分支的遗传物质交换。所以这是令人兴奋的。我们开始调整对于进化过程的理解。”

原始出处：

Boothby TC, Tenlen JR, Smith FW, Wang JR, Patanella KA, Osborne Nishimura E, Tintori SC, Li Q, Jones CD, Yandell M, Messina DN, Glasscock J, Goldstein B.Evidence for extensive horizontal gene transfer from the draft genome of a tardigrade.Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Nov 23. pii: 201510461.

作者：MedSci

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