【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。

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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

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