问题

合弓纲外其他胎生动物,诸如一些蛇或鱼类等,基因组中都有来自远古病毒的ERVW1基因吗?

回答
这个问题很有意思,触及到了一个跨越物种和时间维度的生物学现象——远古病毒序列在现代生物体基因组中的存在,特别是 ERVW1 基因。要回答这个问题,我们需要分几个层面来探讨。

首先,我们得明白什么是“合弓纲”和“胎生”。

合弓纲 (Synapsida):这是包括哺乳动物及其已灭绝祖先的一个演化谱系。所以,合弓纲“外”的胎生动物,就主要是指非哺乳动物中的胎生种类。
胎生 (Viviparity):是指胚胎在母体内发育,并从母体获得营养,最终以幼体形式产出的生殖方式。这与卵生(产卵)相对。

然后,我们来谈谈“ERVW1基因”和“远古病毒”。

内源性逆转录病毒 (Endogenous Retroviruses, ERVs):这些是病毒基因组插入宿主生殖细胞(卵子或精子)DNA中,然后随着宿主基因组代代相传的结果。本质上,它们是宿主基因组中“固定”下来的病毒“化石”。
ERVW1基因:这个基因通常与滋养层(Trophoblast)的形成和功能有关,尤其是在胎盘的形成过程中扮演重要角色。胎盘是连接母体和胎儿、提供营养和氧气、排出废物的重要器官,是胎生动物(特别是高等哺乳动物)的关键结构。ERVW1(也称为ERVWE)是其中一个较为人熟知的、与胎盘相关的ERV基因。

现在,让我们把这些联系起来,看看合弓纲以外的胎生动物,比如一些蛇或鱼类,它们的基因组中是否也存在“来自远古病毒的ERVW1基因”。

核心问题在于:ERVW1基因的来源是否仅限于与哺乳动物胎盘形成相关的病毒?而其他胎生动物的胎生机制,是否也可能涉及来自其他病毒的、具有相似功能的插入序列?

1. ERVW1基因的普遍性:

哺乳动物中的ERVW1:ERVW1确实在很多哺乳动物的基因组中被发现,并且研究表明它在胎盘发育中起着关键作用,例如通过影响细胞融合、滋养层侵袭等过程。它的表达模式和功能在不同哺乳动物中表现出一定的保守性,但也有物种特异性的演化。
合弓纲以外的胎生动物:这是一个关键的区分点。ERVW1作为一个特定的基因名称,通常是根据其在哺乳动物(特别是具有典型胎盘的哺乳动物)中的功能和序列特征来定义的。
蛇和鱼类的胎生:很多爬行动物(如某些蛇、蜥蜴)和鱼类(如某些鲨鱼、孔雀鱼、胎生鳉鱼)也演化出了胎生。但它们实现胎生的机制与哺乳动物差异很大。
蛇类:很多蛇是卵胎生的,即卵在母体内孵化,然后产出幼蛇。有些则是真正的胎生,胎儿通过类似“卵黄囊胎盘”的结构从母体获取营养,或者通过特殊的子宫壁进行物质交换,但与哺乳动物高度发达的绒毛膜胎盘有很大不同。
鱼类:鱼类的胎生形式也多种多样,有的鱼是卵胎生的,有的则是真正的胎生,通过各种方式(如腹囊、变形的卵黄囊、甚至类似胎盘的结构)为胚胎提供营养。

2. ERVs的普遍性与ERVW1的特殊性:

ERVs是普遍存在的:反过来想,逆转录病毒的感染和插入是相对普遍的生命现象,几乎所有动物(甚至植物)的基因组中都可能发现ERV的痕迹。这些痕迹可以是完整的病毒基因组,也可以是单个病毒基因(如gag, pol, env)。
ERVW1的“故事”:ERVW1之所以被特别关注,是因为它被认为是哺乳动物胎盘演化过程中的一个重要“贡献者”。有理论认为,某个古老的逆转录病毒(或其基因)在某个时刻,通过某种方式(可能是偶然的生殖细胞插入),被整合到了一类早期哺乳动物的祖先基因组中。随后,这个病毒基因(或其变异体)在自然选择的作用下,被“驯化”并演化出新的功能,最终在胎盘形成等过程中发挥了至关重要的作用。这种“病毒基因的宿主化”是生物演化中一个非常迷人的现象。

那么,合弓纲以外的胎生动物(如蛇、鱼)的基因组中,会“有来自远古病毒的ERVW1基因”吗?

答案倾向于“不太可能,至少是以我们对哺乳动物ERVW1的理解来看”。

原因如下:

ERVW1是哺乳动物胎盘相关的特例:ERVW1的名称和功能研究主要集中在哺乳动物,特别是与绒毛膜胎盘形成相关的病毒序列。它之所以在哺乳动物中成为“ERVW1”,是因为它来自某个特定的病毒插入事件,并且在哺乳动物的演化枝上被选择了和利用。
其他胎生动物的胎生机制不同:蛇、鱼等生物演化出了各自独立的胎生策略,它们的胎生器官和营养交换方式与哺乳动物的胎盘在结构和机制上存在很大差异。如果它们的基因组中存在与病毒序列相关的基因,那么这些基因很可能与它们各自特有的胎生机制有关,并且不一定是ERVW1这个特定的基因。它们可能来自其他种类的逆转录病毒,或者甚至是其他类型的病毒(虽然病毒基因插入到生殖细胞基因组并被世代相传,尤其是与生殖或发育相关的,逆转录病毒是最典型的例子)。
“远古病毒”的定义模糊性:任何插入到生殖细胞基因组中的病毒序列都可以被称为“来自远古病毒”。关键在于,这个病毒序列是否在“合弓纲外”的这些动物的基因组中被发现,并且是否与它们特定的生殖或发育功能相关。

所以,更准确的说法可能是:

蛇、鱼等非合弓纲胎生动物的基因组中,很可能也存在来自远古病毒的插入序列(ERVs)。 这是因为病毒感染和插入是普遍现象,而且这些序列可能在宿主基因组中被“驯化”,承担各种功能,包括可能与它们独特的胎生方式相关的功能。
但这些序列,未必就是我们所熟知的“ERVW1基因”,更不一定与哺乳动物的胎盘形成功能完全相同。 它们可能代表的是其他病毒在其他物种演化枝上发生的插入事件,并被“驯化”用于其他目的。

举个例子来类比:

想象一下,在某个古老的海域,有几种不同的鱼类和一种早期哺乳动物的祖先。

情况A: 一种古老的病毒感染了早期哺乳动物的祖先,它的基因(后来我们称之为ERVW1)恰好被整合到生殖细胞中,并且在胎盘演化中发挥了关键作用。
情况B: 差不多同时期,另一种病毒(或者同一种病毒,但发生在不同的插入位点或以不同方式起作用)感染了早期蛇类或鱼类的祖先。这个病毒的基因在这些动物的基因组中也被整合,但由于这些动物的生殖方式和进化路径不同,这个病毒基因被“驯化”后,可能负责的是它们卵黄囊的特定功能,或者子宫壁的营养吸收,而不是我们哺乳动物的绒毛膜胎盘。

深入的探讨:

要确切回答这个问题,需要进行大量的基因组学和生物信息学研究。研究人员需要:

1. 识别合弓纲以外胎生动物基因组中的ERV序列:对蛇、鱼类等动物的基因组进行测序和比对,找出所有可能存在的ERV插入。
2. 分析这些ERV的序列特征:将这些ERV的序列与已知的ERV数据库(包括哺乳动物的ERVW1)进行比对,看是否有同源性。
3. 研究这些ERV在这些动物中的表达和功能:通过转录组学、蛋白质组学等技术,研究这些ERV在生殖发育过程中是否表达,以及它们可能的功能。

目前的研究表明,ERVs的插入和“驯化”是生物演化中一个非常普遍的现象。有很多ERV序列在不同物种的基因组中被发现,并且在宿主生理中扮演了重要角色,比如:

Syncytins:这是最著名的ERV“驯化”例子之一,它们是ERV的Env(包膜)蛋白,在哺乳动物胎盘形成中起关键作用,促进滋养层细胞的融合形成合胞体。不同哺乳动物的syncytins来自不同的ERV插入。
对免疫系统的影响:某些ERV序列也被发现影响宿主的免疫反应。
对神经系统的影响:也有研究表明某些ERV表达与神经功能有关。

所以,虽然ERVW1这个具体的基因名称和它在哺乳动物胎盘中的特定角色,很可能是合弓纲内部特有的演化故事,但“远古病毒基因被驯化并参与生殖发育”这个大框架,很可能在合弓纲之外的其他胎生动物中,也以不同的病毒序列和不同的功能形式,反复上演。

总结来说:

合弓纲以外的胎生动物,如一些蛇或鱼类,它们的基因组中很可能存在来自远古病毒的ERV序列,并且这些序列可能也被“驯化”用于参与它们自身的生殖或发育过程。但是,我们通常所说的“ERVW1基因”,其名称和功能上的特异性,主要指向的是在哺乳动物胎盘演化中扮演重要角色的那一类特定的病毒序列。因此,说它们“都有来自远古病毒的ERVW1基因”,这样说法可能不准确,因为它们可能拥有的是“同源但不同名”的ERV序列,或者完全是来自不同病毒的、功能相似但序列差异较大的基因。 这是一个需要通过深入的基因组学研究来具体验证和区分的问题。

希望这个回答能够帮助你理解这个问题背后的生物学逻辑和演化意义。

网友意见

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没有。在胎生动物中,只有胎盘哺乳动物使用 ERVW-1 基因编码的 Syncytin-1 蛋白在滋养层内进行细胞间融合。在灵长类的胎盘里还有由 ERVFRD-1 基因编码的 Syncytin-2 蛋白帮助胚胎植入子宫。这些基因及其附近的序列看起来是逆转录病毒留下的。

现存生物的胎盘都是用事先存在的组织改造出来的。一些灵长类、兔、豚鼠、小鼠、大鼠的血窦绒毛膜胎盘让母体血液与胎儿绒毛膜直接接触。这种构造可能有助于传递营养物质,但同时增加了免疫排斥的风险。细胞融合产生的合胞体参与组成胎盘屏障,有助于降低免疫排斥概率。

兔妊娠晚期、一些啮齿目和旧食虫目使用血窦内皮胎盘。有袋类大多使用绒毛膜卵黄囊胎盘。大部分食肉目动物使用内皮绒毛膜胎盘。反刍动物·马·鲸·儒艮·一些些灵长类等动物使用上皮绒毛膜胎盘或结缔绒毛膜胎盘。这些动物的胎盘结构对胎盘屏障性能的需求各不相同,有些有其他参与胚胎定植的病毒蛋白。

在合弓纲之外,一些无脊椎动物·一些鱼·某些两栖动物·某些爬行动物有不同构造的胎盘,有时使用不同的合胞蛋白(已经在 Mabuya 属胎生蜥蜴中找到看起来源于逆转录病毒的合胞蛋白[1]),有时不使用合胞蛋白。只要胎盘转运物质的能力较低,“母体对胚胎的排异问题”的发生率也就降下去了。其中一些动物的免疫系统也和哺乳类大不一样,并不容易造成问题。

https://www.jstor.org/stable/26485121

在脊椎动物中,胎盘独立进化了 100 多次,其中大多数发生在有鳞爬行动物身上,胎生与卵生各自适合一些环境而不适合另一些环境、一个物种可以在这方面反复横跳。合胞蛋白不是产生胎盘所必需的。

Syncytin-1 在人身上还有其他功能,其中包括在神经系统异常表达参与精神分裂症、神经变性等。一种类似的内源蛋白质在多发性硬化症患者脑内产生异常的蛋白颗粒。不使用这类蛋白质可以降低这类疾病的发生率。

合胞蛋白在卵生动物体内可以找到别的功能,无论是正面的还是负面的。不表达也是可以的。

参考

  1. ^ Cornelis G, Funk M, Vernochet C, Leal F, Tarazona OA, Meurice G, Heidmann O, Dupressoir A, Miralles A, Ramirez-Pinilla MP, Heidmann T. An endogenous retroviral envelope syncytin and its cognate receptor identified in the viviparous placental Mabuya lizard. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017 Dec 19;114(51):E10991-E11000. doi: 10.1073/pnas.1714590114. Epub 2017 Nov 21. PMID: 29162694; PMCID: PMC5754801.

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