【生物科學】細菌不挑食， DNA 長短通吃
■細菌會把其他有機體死掉的細胞遺留下來，將長度較長的 DNA 片段，整合到它們自身的基因體中，這是科學家早就知道的事。不過一篇在2013年11月中發表於《美國國家科學院學報》的研究結果指出，細菌也能整合長度較短，已經受損的 DNA 片段，甚至從 43,000 年前的長毛象骨骸裡萃取出來的 DNA 片段也不例外。
撰文｜Kerry Grens
編譯｜高英哲
在我們的周遭環境中，到處都有長度較短的降解 DNA 。並未參與這項研究的美國西北大學微生物學家漢克．賽佛特 (Hank Seifert) 說：「倘若這些 DNA 能夠產生轉形或突變的話，就表示這些 DNA 在演化過程中所扮演的角色，遠比先前我們以為的來得重要。」
「自然基因轉形」 (natural genetic transformation) 是一種縱向的基因移轉形式，會把環境中存在的其他有機體 DNA 大口大口地吃掉。這種將他人的基因占為己有的過程，對於細菌演化與抗生素抗性來說相當重要；最近的研究還指出，細菌可能可以把 DNA 移轉到人類宿主的基因體中。
這項研究的第一作者，哥本哈根大學博士後研究員塞倫．歐佛巴勒皮特森 (Søren Overballe-Petersen) 說：「以前人們認為長度較短的降解 DNA ，對於自然轉形的過程無足輕重。」但是長度較長的 DNA 片段，比方說千鹼基 (kilobase) ，在自然環境中無法持久存在，細菌沒什麼機會把它們整合到自己的基因體內；像是十鹼基這種比較短的 DNA 片段，持續存在個數十萬年就不成問題。研究者想要探究這些較短的 DNA 片段，是否也跟自然基因轉形有某種程度的相關性。「這兩回事真的風馬牛不相及嗎？」歐佛巴勒皮特森這樣問道。
歐佛巴勒皮特森等人為了找出答案，把不動桿菌 (Acinetobacter baylyi) 裡頭的兩個基因剔除，然後把細菌跟各種長短不一的 DNA 放在一起；短基因少到只有 20 個鹼基，長基因有多達 50,000 個鹼基的。研究者發現細菌比較會吸納較長的 DNA 片段，但是長度僅僅數十個鹼基的 DNA 它們也沒放過。此外，無論 DNA 是否有受損，細菌都照吃不誤：無論 DNA 是否有裂痕、間隙或其他損傷，都不會改變細菌將它們取為己用的頻率。歐佛巴勒皮特森談到：「 DNA 是否有受到損傷，對於轉形過程影響甚微，這點大大出乎我們意料之外。 DNA 的長度似乎才是決定它們是否受到細菌青睞的主要特質。」
美國德州大學奧斯汀分校演化生物學家霍華德．奧奇曼 (Howard Ochman) 表示，這項研究裡呈現出來的轉形過程，似乎是來者不拒，不過他也指出研究裡所使用的細菌，有兩個基因被剔除掉了。「降解的 DNA 在自然環境中，究竟多常發生轉形過程，我們其實並不清楚。當然我們不能排除有這種可能性，不過他們得要進行一些遺傳操縱，才能把這些情況呈現出來。」
歐佛巴勒皮特森的研究指出，自然轉形過程的時程不再受限於長度較長的完整 DNA 片段，在自然環境中存續時間不長的事實。為了找出自然轉形過程理論上能夠橫跨多久的時間，研究者從長毛象骨骸裡，萃取出 43,000 年前的降解 DNA 做為實驗標的，結果證明經過基因改造的不動桿菌，還是會把這個 DNA 插進它們自身的基因體中。歐佛巴勒皮特森說：「只要有剩下一丁點的 DNA ，就有可能進行基因移轉。既然有些 DNA 可以維持數千年，我們能夠追根究底的期間就延得更長了。」
並未參與這項研究的賽佛特表示：「這項研究是首度以實驗證實，細菌能夠吸納受損的 DNA 進行轉形，不過這是某些可轉形的細菌才有的特質，還是所有細菌都是如此，仍然有待公論。」
哥倫比亞大學微生物學家蘿絲瑪麗．雷德菲爾 (Rosemary Redfield) 表示，這項研究為我們周遭為數眾多、在浴簾上、土壤中以至於水池底下都能找到的降解 DNA，開啟了許多新的疑問。未參與這項研究的他表示：「沒有人認真思考過這些舊的 DNA 有何用處，反正總是有新的完整DNA可供研究。探討這些古老的 DNA會發生什麼樣的事，是個全新的思考方向。」
歐佛巴勒皮特森認為這些長度較短的DNA片段，其整合過程是在細菌吸納較長的DNA片段之前，先行發生的一種被動機制。轉形過程通常會涉及約 40 種不同的蛋白質活動，不過在歐佛巴勒皮特森的研究團隊去除掉轉形過程中相當重要的 RecA 重組酶之後，細菌仍然會納入較短的 DNA 片段。「這是高度演化，典型轉形過程的一種簡單變體。」歐佛巴勒皮特森說。
歐佛巴勒皮特森補充表示，降解 DNA 的轉形過程對於細菌演化來說可能很重要，但是要顯示出這樣的事情在自然情況下有多常發生，是相當困難的一件工作。雷德菲爾指出，這項研究發現長度較短的 DNA 片段，其自然轉形頻率相當低，已經近乎於隨機突變的頻率。歐佛巴勒皮特森把這個過程比喻為在垃圾桶裡淘寶：雖然細菌有時候會被碎玻璃割傷，不過「總會有淘到寶貝的時候」。
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研究出處：Bacteria Can Integrate Degraded DNA
責任編輯：Kerina Huang