基因水平轉移在微生物進化與系統(tǒng)發(fā)育中的作用

1、基因水平轉移在微生物進化與系統(tǒng)發(fā)育中的作用摘要：基因水平轉移是原核生物界適應進化的一種重要源動力，在細菌和古細菌等微生物的進化過程中都可以進行。本文簡要介紹了基因水平轉移的研究進程及其在微生物進化中的作用及聯(lián)系。利用微生物發(fā)育所建立的進化樹上進化枝的排列成為了判斷基因水平轉移的重要標準，但是，基因水平轉移是促進還是妨礙了微生物界系統(tǒng)發(fā)育關系的構建是有爭論的。關鍵詞：基因水平轉移、微生物進化、系統(tǒng)發(fā)育、進化樹 基因水平轉移（horizontal gene transfer,HGT），又稱基因側向轉移（lateral gene transfer,LGT）是指在差異生物個體之間，或單個細胞內部細胞器

2、之間所進行的遺傳物質的交流。差異生物個體可以是同種，但含有不同的遺傳信息的生物個體，也可以是遠緣的，甚至沒有親緣關系的生物個體。單個細胞內部細胞器主要指的是葉綠體、線粒體及細胞核。基因水平轉移是相對于垂直基因轉移親代傳遞給子代而提出的，它打破了親緣關系的界限1。通過將新基因導入現(xiàn)有的基因組，水平基因轉移能幫助受體生物繞過通過點突變和重組創(chuàng)造新基因的緩慢過程，從而加速基因組的革新和進化2。 基因水平轉移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示出生物進化的另一條途徑，并引發(fā)研究人員對生物進化描述方式進行更多的思考和討論。目前，基因水平轉移這個概念己經逐漸被人們所接受，人們普遍認為，水平基因轉移在原核生物和單細胞真核生物中發(fā)

3、生較為頻繁，并且是二者進化的重要動力，但其發(fā)生范圍及進化意義尚存爭議。另外，水平基因轉移對于構建微生物界系統(tǒng)發(fā)育關系的作用尚無統(tǒng)一定論。 1、 基因水平轉移的產生及研究概況 Koonin等3主要圍繞物種進化，提出一個新的進化法則，這個法則不是突變、自然選擇、和漂移學說去解釋細菌間物種進化的改變，而是“水平基因轉移”，也叫“側向基因轉移”，是細菌和古細菌以及單細胞真核生物進化的直接動力，因此，它也是進化學說很重要的一部分。 1959年,一系列的文章報道了大腸桿菌(Escherichia coli)的高頻轉導(Hfr)菌株可以將遺傳信息傳遞給特定的鼠傷寒沙門氏菌(Salmonella typhim

4、urium)突變菌株4-5。同年，Tomochiro Akiba和Kunitaro Ochiai發(fā)現(xiàn)病原菌中的抗性質粒，而這一發(fā)現(xiàn)直接導致了攜帶抗性的質?？梢栽诓煌N間轉移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，這實際上就宣告了野生型菌株間存在著水平基因轉移6-7。近年來，隨著分子進化研究和基因組學的發(fā)展,研究人員發(fā)現(xiàn)了越來越多的、更大范圍、更為高等的生物之間的基因水平轉移事件。然而,水平基因轉移作為一種概念,并不是一開始就伴隨著其現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而出現(xiàn)的。直到20世紀90年代,由于種種原因,人們才逐步使用基因水平轉移(horizontal gene transfer)的概念來解釋所遇到的水平基因轉移現(xiàn)象，基因水平轉移也在開

5、始頻繁出現(xiàn)在文獻報道中，并形成研究熱點。基因水平轉移研究引人關注的主要原因是由于基因工程技術的發(fā)展，人工構建的轉基因動植物和微生物越來越多,對其釋放于環(huán)境后可能發(fā)生的基因轉移及其深遠影響還沒有明確的認識。 已發(fā)現(xiàn)基因的轉移不僅僅是發(fā)生在細菌之間,而且也發(fā)生在細菌與高等生物之間,甚至是高等生物之間。2、 基因水平轉移在微生物進化過程中的作用 基因水平轉移對于微生物主要產生有兩種結果，一種是遺傳物質成功轉移（比如由接合、轉導、轉染或者重組介導的基因轉移）；另一種是通過傳代而使被轉移的遺傳物質存活。但是基因水平轉移也會遇到一定的物理障礙，以及對轉移基因不同的選擇壓力。 1999年，Jain等8提出了

6、一個復合假說來解釋微生物有機體中不同轉移基因的敏感性。這個理論是這樣的，與操縱子基因（參與細胞形態(tài)或結構的維持，并且其產物很少參與其他多分子反應）相比，所謂的報告基因（參與DNA的復制、轉錄和翻譯，并且其產物也參與多分子間的反應）不易于發(fā)生水平基因轉移.該理論與最近從原核生物基因組獲得基因的貝葉斯推理特征是相符合的，它指出，轉移基因偏向于結合DNA、致病力和細胞表面功能的基因，都包括操縱子的功能。同時指出，并不是所有的操縱子基因都可以發(fā)生水平基因轉移。 對原核生物而言,外源基因的獲得被認為是基因組取得新基因的主要途徑。通過基因轉移從其他生物處取得可用基因,受體生物能被快速地賦予有利的表現(xiàn)型,從

7、而獲得開拓新資源和生態(tài)位的能力9-11。最具代表性的原核生物水平基因轉移事件是細菌耐藥性的產生和傳播12。研究人員發(fā)現(xiàn),細菌不僅能快速產生耐藥性,而且能在菌落間相互傳播這種能力,這使得細菌能在短時間內獲得多種抗生素的抗性。垂直遺傳已經不足以解釋這一現(xiàn)象,水平基因轉移的研究由此得到重視。研究表明8,11,13,細菌的耐藥性基因能夠通過各種方式在菌株或菌種間廣泛傳播,受體細菌因而可以迅速、廣泛地運用染色體外的元件來獲得對抗抗生素的性狀,從而適應新環(huán)境。類似于細菌耐藥性,一些原核生物致病機理、代謝特性的傳播也通常歸因于相關基因的水平轉移11,13。 基因水平轉移作為原核生物進化的一個重要機制,其重要

8、性已經得到廣泛認可,但是在量化其對基因組進化的貢獻問題上還存在爭議。近幾年的研究表明,水平基因轉移對原核生物的影響可能是極其廣泛的。Dagan等人14檢測了分布在181個原核生物基因組中的近54萬個基因,發(fā)現(xiàn)平均每個基因組中都有至少(81±15)%的基因在其進化歷程中的某段時間與水平基因轉移相關聯(lián)。而Treangen和Rocha15則對來自原核生物8個不同進化枝的110個基因組進行了分析,結果表明,88%-98%的蛋白家族擴增與水平基因轉移有關,并且相對于另一蛋白進化的推動力基因重復，通過水平轉移的基因能更長久地存在于原核生物中。 Zhaxybayeva等人16以11個完整測序的藍藻

9、(Cyanobacteria)基因組為對象,對其包含的 1128 個蛋白編碼基因家族進行分析,并比對 168個已測序的其他原核生物基因組,結果發(fā)現(xiàn),藍藻基因組有復雜的進化歷史,部分基因(甚至大多數(shù)基因)在不同物種中的關系不能簡單地用分叉樹狀結構表示,研究同時發(fā)現(xiàn),有水平轉移傾向的基因涵蓋了幾乎所有的功能類型?？梢姡蛩睫D移在原核生物的進化中的存在是毋庸置疑的。2011年,Slot和Rokas17發(fā)表文章稱,他們發(fā)現(xiàn)柄孢殼菌屬(Podospora)中控制柄曲霉素(sterigmatocystin)整個生成途徑的一個基因簇是從曲霉屬(Aspergillus)處水平轉移而來的。另外還有真菌間毒力

10、基因的水平轉移的例證，Sun等人18也發(fā)現(xiàn) 2 個毒力效應器基因家族分別從卵菌病原體和細菌處水平轉移到蛙壺菌(Batrachochytrium dendrobatidis)中，并可能在蛙壺菌的適應過程中扮演了重要的角色?；蛩睫D移在微生物進化中還是被認為是一種重要的推動力量19。3、 基因水平轉移在系統(tǒng)發(fā)育中的作用 3.1 系統(tǒng)發(fā)育與基因水平轉移的出現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)育樹的創(chuàng)始人Zuckerkandl等20最初利用分子生物信息學方法從蛋白和基因兩個不同的方面構建了微生物界各個有機體之間的系統(tǒng)發(fā)育樹。Woese等21提出16SRNA基因序列是構建舊系統(tǒng)發(fā)育樹關系的一個很好的工具。然而，經過一段時間的進化

11、之后，發(fā)現(xiàn)不同的基因可能導致系統(tǒng)發(fā)育的不一致性，這種變化主要是發(fā)生在微生物之間，通過物種或物種群而與其他形態(tài)學的、生理的或者有分子遺傳標記的物種或物種群分開22。另一方面，從分子生物學和分子遺傳學角度研究23，遺傳物質在微生物之間的轉移機制已經了解了很多，并且在16SRNA基因序列之后不久，又提出了交叉物種基因轉移在進化方面的作用24。在這種情況下，20世紀90年代初，作為系統(tǒng)發(fā)育樹的另一種解釋，便出現(xiàn)了微生物之間水平基因轉移的概念25。從此之后，大量的新數(shù)據(jù)更強化了這一觀點，特別是進入基因組時代全序列的比較。 3.2 基因水平轉移與微生物系統(tǒng)發(fā)育的關系 在細菌和古細菌等微生物之間構建系統(tǒng)發(fā)育

12、關系，與代謝和分子標志相比，形態(tài)特征的使用是受限制的26。然而，基因水平轉移激發(fā)人們更精確的去構建系統(tǒng)發(fā)育關系，使得重新在這些標志當中找到了系統(tǒng)發(fā)生的信號?；诨蛩睫D移事件，一些專家27懷疑，是否有可能在微生物界構建一個精確的系統(tǒng)發(fā)育樹.而有些專家28則說核基因不會發(fā)生轉移，保留住了這些系統(tǒng)發(fā)育的信號，這樣就可以構建一個精確的微生物系統(tǒng)發(fā)育樹.而Kurland等29認為有許多障礙會影響有機體之間的水平基因轉移，而減小了水平基因轉移對構建系統(tǒng)發(fā)育關系的作用.而Sorek等30認為沒有絕對的障礙會影響基因的轉移，因為所有家族的基因組至少有一個基因可以在大腸桿菌中克隆。所以，水平基因轉移對在原核

13、生物界系統(tǒng)發(fā)育的構建造成了一定的影響，而Bapteste等31的研究則表明，原核生物界約0.7%的核基因就可以構建系統(tǒng)發(fā)育的關系。 不管怎么說，一些工具已經被用于處理水平基因轉移在系統(tǒng)發(fā)育構建上的作用，圍繞系統(tǒng)發(fā)育的網絡工作，超矩陣和超樹.甚至有的專家32建議水平基因轉移可能作為構建系統(tǒng)發(fā)育樹的工具，為方便解決疑問提供sinapomorphies。最近，基于基因組組織結構，又提出了一個構建原核生物界系統(tǒng)發(fā)育樹的新方法，似乎更加肯定了水平基因轉移這一事實，但是會受到親緣關系較近的有機體的限制。然而，當我們有了包括水平基因轉移在內的系統(tǒng)發(fā)育構建的工具或方法時，水平基因轉移是否會妨礙我們使用進化樹來

14、分析微生物的進化，以及微生物界物種概念的問題。 3.3 進化樹分析方法 運用最廣泛最簡單的檢驗基因水平轉移的方法是利用Blast相似性搜索。在親緣關系較遠的物種間, 它們的某個特定基因或特定基因的某一段序列相似性極高,一般就可以作為基因水平轉移的初始證據(jù)或懷疑對象。物種間絕大部分基因的進化關系與生物分類相符合, 只有少數(shù)發(fā)生水平轉移的基因進化關系與傳統(tǒng)生物分類學差異極大(圖1)。因而,進化樹上進化枝的排列就成了判斷基因水平轉移的重要標準。有些基因在物種中是相當保守的,可以用它們來建立所研究物種的進化關系,作為判斷其他基因是否發(fā)生水平轉移的參考標準。用水平轉移目標基因所構建的進化樹與用保守基因或

15、傳統(tǒng)的分類學方法構建的進化樹作比較(圖 1),從而判斷出目標基因是否發(fā)生水平轉移以及發(fā)生轉移的時間和地點。 Lake 等33通過構建進化樹,發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白S8從Bicillus水平轉移Methanobacterium中。Delorme 等34對前庭鏈球菌(Streptococcus vestibularis)的幾個等位基因以及基因組特定座位分離情況進行分析, 認為唾液鏈球菌(Streptococcus salivarius)和前庭鏈球菌是不同的種, 唾液鏈球菌在某些座位的多樣性高于前庭鏈球菌,表明后者是最近才進化形成的對其進行分析后發(fā)現(xiàn),它們之間在研究的9個座位中有3個發(fā)生了基因水平轉移。雖然

16、進化樹也有它本身的缺陷,用于構建進化樹的核苷酸序列所提供的信息并不能準確的反映所有物種之間的進化關系,而且在選擇不同的方法構建進化樹時,可能會出現(xiàn)不同的結果35, 從而影響對水平轉移的評價,但是進化樹法仍是檢測基因水平轉移最有效的方法,也是應用最多不僅適合于原核生物，同樣適合真核生物的方法。 4、 小結 水平基因轉移在歷史上的大量證據(jù),使人們有必要對微生物進化理論進行重新審視。傳統(tǒng)的簡單分支的系統(tǒng)發(fā)育樹不能成為表現(xiàn)眾多生物親緣關系的最佳方式,而網絡性的或類網狀的系統(tǒng)發(fā)育模式結合基因水平轉移才能給予它們恰當?shù)拿枋?。同時,水平基因轉移在微生物進化中還是被認為是一種重要的推動力量。 參 考 文 獻1

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