香港浸會大學通過實驗，研究了毒素－解毒劑基因模組的可能演化起源。這是一種「自私遺傳元件」，會自動把未遺傳該模組的後代殺死。由於這種機制可直接造成遺傳不相容性，其起源一直未明。浸大團隊認為，它可能源於病原體壓力的免疫或保護功能。研究成果已刊於《美國國家科學院刊》。

論文：

• https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2603772123

研究背景

毒素－解毒劑系統，是一類典型的自私遺傳元件。這類系統通常由兩部分組成：一個是可引起胚胎或後代死亡的毒素，以及一個能中和毒素作用的解毒劑。當親本攜帶 TA 模組時，未能遺傳到該模組的後代會自動被毒素殺死，使這套基因組合偏向自身傳遞。因此 TA 系統被視為合子後遺傳不相容性的重要來源之一。

在細菌中，TA 系統十分普遍，一般認為與應激反應、抗生素耐受性及抗噬菌體防禦有關。但在真核生物中，TA 系統近二十年才陸續被發現，而且可能存在於脊椎動物中，近期有研究在小鼠中鑒定出一個潛在的 TA 系統。

一個根本問題是：若 TA 系統會帶來明顯的適應代價，為何仍能持續存在？目前主要有兩種假說：一種認為這類系統源自宿主基因組內部的自發演化；另一種認為，可能來自宿主與病原體之間的長期衝突。目前仍未有明確答案。

研究成果

香港浸會大學生物學系趙中應教授團隊，利用秀麗隱杆綫蟲的親緣物種 C. nigoni 與 Caenorhabditis briggsae 之間大量存在的雜交不相容性，研究 TA 系統如何形成。團隊首先鑑定出一個品系特異性的 TA 模組，其中解毒劑基因 Cni-shls-2 是 C. nigoni 特有的 F-box 基因，由近期發生的串聯重複形成，並保留了三個完全相同的拷貝。

研究發現，若刪除 Cni-shls-2，不僅會導致 C. nigoni 自身後代胚胎死亡，也會使其與姐妹種 C. briggsae 的雜交後代胚胎死亡。這顯示，TA 模組基因確實在物種內與物種間的遺傳不相容性中扮演關鍵角色。

進一步分析證明，這種致死效應來自一個由母體預先沉積於卵中的毒素基因 Cni-hlix-1。Cni-hlix-1 並非普通宿主基因，而是一個嵌合基因，由重複的宿主序列與一段可能源自細菌或古菌的新序列融合而成。

更重要的是，團隊對不同群體的演化軌跡進行分析，發現解毒劑基因出現的時間很可能早於毒素基因。這意味 TA 系統並不是毒素與解毒劑同步演化而來的。

團隊從而提出，Cni-shls-2 最初是在病原體壓力下，作為一種具有免疫或保護功能的宿主基因出現。之後，毒素基因的出現才對原本具適應意義的解毒劑基因加以鎖定，成為自私遺傳模組的一部分。換言之，宿主－病原體衝突可能是驅動 TA 系統形成與維持的關鍵背景。

這項研究提出了一種將免疫適應、自私遺傳與物種形成機制串連起來的演化模型，解釋了這類高代價遺傳系統爲何能長期存在，同時可能對自身免疫性疾病等具有啓示意義。

研究團隊

論文第一作者是浸大 Dongying Xie，通訊作者是趙中應教授。

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