演化樹真的是樹狀嗎？
By Helen Wong 王思齊
「這種看待生命的觀點蘊含偉大意義……從如此簡單的起點，演化出無數最美麗且最奇妙的生命形式，過程至今仍在進行。」
查理斯・達爾文《物種起源》[1]
達爾文提出以天擇為機制的演化理論，解釋了生命如何透過世代相傳的遺傳特徵演化。談到遺傳，我們通常想到基因從親代「垂直」傳遞給後代。這種被稱為「垂直基因轉移」（vertical gene transfer）的模式長久以來被認為是遺傳訊息在種群中流動的主要方式。然而，這並不是唯一途徑：基因也可以在沒有親緣關係的物種之間「水平」移動，這種現象稱為「水平基因轉移」（horizontal gene transfer）。過去水平基因轉移被認為非常罕見，但現在已知它曾經發生於幾乎所有生命分支中，有助物種快速適應環境 [2–3] 。
原核生物的水平基因轉移
雖然水平基因轉移這個名詞可能很陌生，但你大概早已聽過它帶來的後果之一：致病細菌的抗生素抗性，這是最廣為人知的例子之一。
細菌（甚或可能是古細菌）可以透過三種主要機制獲取「外來」的抗生素抗性基因及其他遺傳物質：轉化、轉導和接合（圖一）。在轉化過程中，細菌會從周遭環境直接獲取以質粒為主的裸DNA。轉導則是指透過噬菌體（一種感染細菌的病毒）在細菌宿主之間轉移基因。DNA也可以透過接合從一顆細菌轉移到另一顆細菌，過程中細菌會直接與另一顆細菌連接以進行交配。水平基因轉移在細菌中非常普遍，有研究估算在細菌演化過程中大約三分之一的基因轉移都透過這種方式發生 [4]。
 |  |  |
圖一 原核生物中水平基因轉移的三大機制示意圖：轉化、轉導與接合。
真核生物的水平基因轉移
然而，對於動物、植物和真菌等真核生物來說，情況有所不同。由於大部分真核生物的生殖細胞與體細胞都被隔開 [2–3]，意味著若外來基因進入體細胞，它將無法被傳遞給下一代，而只有被整合到精子或卵子，或其祖細胞（將會分裂成精子或卵子的細胞）的基因才會得以遺傳。因此，水平基因轉移通常要發生在生殖細胞，才能對真核生物產生長久的影響。
儘管如此，水平基因轉移仍然可以在真核生物中發生，而某些條件似乎會增加其發生的可能性。這些條件包括吞噬作用，即細胞吞噬其他細胞或顆粒；以及共生，即兩種不同生物緊密共存。此外，水平基因轉移也可能更頻繁地發生在個體僅由一個或數個未分化細胞組成的早期發育階段，例如孢子、合子和胚胎等。
與細菌不同的是，外來DNA主要透過「非同源性末端接合」進入真核生物的基因組，這種天然的DNA修復機制直接連接斷裂的DNA末端，但當修復過程中有外來DNA時，這些DNA有時便會被意外地插入到基因組中。
雖然生物學家尚未就真核生物中水平基因轉移有多普遍達成共識，但他們已經記錄到一些引人入勝的例子，例如蚜蟲祖先從真菌獲取類胡蘿蔔素基因 [5]。這是科學家首次在動物基因組發現類胡蘿蔔素基因，這些色素基因使蚜蟲身體產生紅色、綠色或黃色色素。在自然界中，紅色和綠色蚜蟲都比較常見，因為掠食者與寄生者往往只偏好其中一種顏色，從而保留了蚜蟲顏色的多樣性。
水平基因轉移另一個較近期的例子則涉及一種類似CRISPR-Cas系統的新機制 [6–7]。CRISPR是一種天然存在於原核生物基因組的DNA序列，源自過往入侵原核生物的病毒DNA片段 [8]。在隨後的感染中，一類稱為Cas的DNA切割酶（更專業的說法是「核酸內切酶」）能利用從CRISPR序列轉錄而來的互補RNA作為「嚮導」，識別並摧毀匹配的病毒DNA以保護自身。研究人員曾猜想這種RNA引導系統是否只存在於原核生物，結果卻在真菌發現在真核生物中類似的系統，其核心是一種稱為Fanzor的RNA引導核酸內切酶。有趣的是，科學家發現Fanzor基因可能源於原核生物的tnpB基因，而tnpB基因很可能是透過水平基因轉移移植到真核生物中。
如何偵測水平基因轉移
話說回來，科學家究竟是如何發現這些水平基因轉移的例子呢？箇中關鍵就在於將著眼點放於水平轉移的基因本身。由於這些基因源自其他物種，因此編碼著的氨基酸序列應該仍與原來物種的版本有著一定程度上的相似。
這個概念構成了一種名為「譜系衝突」（phylogenetic conflict）的常用方法 [2–3]。簡而言之，科學家會比較兩種「演化樹」：一種是物種本身的演化樹，另一種是目標基因的演化樹。如果某個基因從一個物種轉移到另一個物種，即使物種本身的演化樹顯示兩個物種之間並沒有親緣關係，該基因的演化樹也可能會顯示兩個物種為密切相關。例如在圖二中，如果基因X從物種C轉移到物種D，那麼基因X的演化樹就會錯誤地顯示C和D為近親，因為它們擁有非常相似的基因X。
圖二 由於物種樹與基因樹不一致而產生的譜系衝突。如果基因X是從物種C水平轉移到物種D，則基因X的演化樹會錯誤地顯示C和D為近親，因為它們擁有非常相似的基因X。
然而，僅僅依賴演化樹的不匹配並不足以證明水平基因轉移確實發生過，因為這個不尋常的現象也可能由其他原因引起，例如DNA測序過程受到污染等 [3]。為了更有把握，科學家會檢查基因X在物種D基因組中的位置，如果基因X位於已知屬於物種D的其他基因旁邊，這是一個正面跡象顯示它確實成為了物種D基因組的一部分，而不是來歷不明的游離DNA片段。我們還可以觀察基因X是否具備真實基因的特徵，例如擁有內含子（真核生物基因中常見的非編碼序列）等。此外，RNA測序數據還可以確定該基因是否真的在細胞中被表達和使用。
水平基因轉移與生命之樹
水平基因轉移帶來的譜系衝突令一些生物學家開始質疑達爾文的生命樹模型是否還能完整描述演化關係的複雜性，尤其是在原核生物間錯綜複雜的親緣關係 [9]。在達爾文的比喻中，生命演化如同一棵龐大的二叉分支樹，物種隨著時間的推移從共同祖先分化出來。水平基因轉移則為這個景象增添了新的維度：它使一些分支側向延伸，將遙遠的枝條以出人意表的方式連結。這種橫向連結創造出更像網狀的結構，使有些學者提出以網絡模型取代以二分形式擴展的樹狀結構。然而，無論生命最終以一棵樹、一個網絡，還是兩者兼而有之的形態展現，有一點始終不變：水平基因轉移深深影響了演化過程，塑造出「無數最美麗且最奇妙的生命形式」。
參考資料
[1] Darwin, C. (1859). On the origin of species by means of natural selection, or, The preservation of favoured races in the struggle for life (1st ed.). John Murray.
[2] Zhaxybayeva, O., & Doolittle, W. F. (2011). Lateral gene transfer. Current Biology, 21(7), R242–R246. https://doi.org/10.1016/j.cub.2011.01.045
[3] Husnik, F., & McCutcheon, J. P. (2018). Functional horizontal gene transfer from bacteria to eukaryotes. Nature Reviews Microbiology, 16(2), 67–79. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2017.137
[4] Coleman, G. A., Davín, A. A., Mahendrarajah, T. A., Szánthó, L. L., Spang, A., Hugenholtz, P., Szöllősi, G. J., & Williams, T. A. (2021). A rooted phylogeny resolves early bacterial evolution. Science, 372(6542). https://doi.org/10.1126/science.abe0511
[5] Moran, N. A., & Jarvik, T. (2010). Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science, 328(5978), 624–627. https://doi.org/10.1126/science.1187113
[6] Saito, M., Xu, P., Faure, G., Maguire, S., Kannan, S., Altae-Tran, H., Vo, S., Desimone, A., Macrae, R. K., & Zhang, F. (2023). Fanzor is a eukaryotic programmable RNA-guided endonuclease. Nature, 620(7974), 660–668. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06356-2
[7] Eisenstadt, L. (2023, June 28). Researchers uncover a new CRISPR-like system in animals that can edit the human genome. MIT News. https://news.mit.edu/2023/fanzor-system-in-animals-can-edit-human-genome-0628
[8] Broad Institute. (n.d.). Questions and answers about CRISPR. https://www.broadinstitute.org/what-broad/areas-focus/project-spotlight/questions-and-answers-about-crispr
[9] Blais, C., & Archibald, J. M. (2021). The past, present and future of the tree of life. Current Biology, 31(7), R314–R321. https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.02.052