基因水平轉(zhuǎn)移在微生物進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育中的作用

1、基因水平轉(zhuǎn)移在微生物進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育中的作用摘要：基因水平轉(zhuǎn)移是原核生物界適應(yīng)進(jìn)化的一種重要源動(dòng)力，在細(xì)菌和古細(xì)菌等微生物的進(jìn)化過(guò)程中都可以進(jìn)行。本文簡(jiǎn)要介紹了基因水平轉(zhuǎn)移的研究進(jìn)程及其在微生物進(jìn)化中的作用及聯(lián)系。利用微生物發(fā)育所建立的進(jìn)化樹上進(jìn)化枝的排列成為了判斷基因水平轉(zhuǎn)移的重要標(biāo)準(zhǔn)，但是，基因水平轉(zhuǎn)移是促進(jìn)還是妨礙了微生物界系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的構(gòu)建是有爭(zhēng)論的。關(guān)鍵詞：基因水平轉(zhuǎn)移、微生物進(jìn)化、系統(tǒng)發(fā)育、進(jìn)化樹 基因水平轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer,HGT），又稱基因側(cè)向轉(zhuǎn)移（lateral gene transfer,LGT）是指在差異生物個(gè)體之間，或單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞器

2、之間所進(jìn)行的遺傳物質(zhì)的交流。差異生物個(gè)體可以是同種，但含有不同的遺傳信息的生物個(gè)體，也可以是遠(yuǎn)緣的，甚至沒(méi)有親緣關(guān)系的生物個(gè)體。單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞器主要指的是葉綠體、線粒體及細(xì)胞核?；蛩睫D(zhuǎn)移是相對(duì)于垂直基因轉(zhuǎn)移親代傳遞給子代而提出的，它打破了親緣關(guān)系的界限1。通過(guò)將新基因?qū)氍F(xiàn)有的基因組，水平基因轉(zhuǎn)移能幫助受體生物繞過(guò)通過(guò)點(diǎn)突變和重組創(chuàng)造新基因的緩慢過(guò)程，從而加速基因組的革新和進(jìn)化2。 基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)揭示出生物進(jìn)化的另一條途徑，并引發(fā)研究人員對(duì)生物進(jìn)化描述方式進(jìn)行更多的思考和討論。目前，基因水平轉(zhuǎn)移這個(gè)概念己經(jīng)逐漸被人們所接受，人們普遍認(rèn)為，水平基因轉(zhuǎn)移在原核生物和單細(xì)胞真核生物中發(fā)

3、生較為頻繁，并且是二者進(jìn)化的重要?jiǎng)恿?，但其發(fā)生范圍及進(jìn)化意義尚存爭(zhēng)議。另外，水平基因轉(zhuǎn)移對(duì)于構(gòu)建微生物界系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的作用尚無(wú)統(tǒng)一定論。 1、 基因水平轉(zhuǎn)移的產(chǎn)生及研究概況 Koonin等3主要圍繞物種進(jìn)化，提出一個(gè)新的進(jìn)化法則，這個(gè)法則不是突變、自然選擇、和漂移學(xué)說(shuō)去解釋細(xì)菌間物種進(jìn)化的改變，而是“水平基因轉(zhuǎn)移”，也叫“側(cè)向基因轉(zhuǎn)移”，是細(xì)菌和古細(xì)菌以及單細(xì)胞真核生物進(jìn)化的直接動(dòng)力，因此，它也是進(jìn)化學(xué)說(shuō)很重要的一部分。 1959年,一系列的文章報(bào)道了大腸桿菌(Escherichia coli)的高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)(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(zhì)粒，而這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了攜帶抗性的質(zhì)粒可以在不同菌種間轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，這實(shí)際上就宣告了野生型菌株間存在著水平基因轉(zhuǎn)移6-7。近年來(lái)，隨著分子進(jìn)化研究和基因組學(xué)的發(fā)展,研究人員發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的、更大范圍、更為高等的生物之間的基因水平轉(zhuǎn)移事件。然而,水平基因轉(zhuǎn)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(jì)90年代,由于種種原因,人們才逐步使用基因水平轉(zhuǎn)移(horizontal gene transfer)的概念來(lái)解釋所遇到的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，基因水平轉(zhuǎn)移也在開

5、始頻繁出現(xiàn)在文獻(xiàn)報(bào)道中，并形成研究熱點(diǎn)?；蛩睫D(zhuǎn)移研究引人關(guān)注的主要原因是由于基因工程技術(shù)的發(fā)展，人工構(gòu)建的轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物和微生物越來(lái)越多,對(duì)其釋放于環(huán)境后可能發(fā)生的基因轉(zhuǎn)移及其深遠(yuǎn)影響還沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)。 已發(fā)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)移不僅僅是發(fā)生在細(xì)菌之間,而且也發(fā)生在細(xì)菌與高等生物之間,甚至是高等生物之間。2、 基因水平轉(zhuǎn)移在微生物進(jìn)化過(guò)程中的作用 基因水平轉(zhuǎn)移對(duì)于微生物主要產(chǎn)生有兩種結(jié)果，一種是遺傳物質(zhì)成功轉(zhuǎn)移（比如由接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)染或者重組介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)移）；另一種是通過(guò)傳代而使被轉(zhuǎn)移的遺傳物質(zhì)存活。但是基因水平轉(zhuǎn)移也會(huì)遇到一定的物理障礙，以及對(duì)轉(zhuǎn)移基因不同的選擇壓力。 1999年，Jain等8提出了

6、一個(gè)復(fù)合假說(shuō)來(lái)解釋微生物有機(jī)體中不同轉(zhuǎn)移基因的敏感性。這個(gè)理論是這樣的，與操縱子基因（參與細(xì)胞形態(tài)或結(jié)構(gòu)的維持，并且其產(chǎn)物很少參與其他多分子反應(yīng)）相比，所謂的報(bào)告基因（參與DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯，并且其產(chǎn)物也參與多分子間的反應(yīng)）不易于發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移基因偏向于結(jié)合DNA、致病力和細(xì)胞表面功能的基因，都包括操縱子的功能。同時(shí)指出，并不是所有的操縱子基因都可以發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移。 對(duì)原核生物而言,外源基因的獲得被認(rèn)為是基因組取得新基因的主要途徑。通過(guò)基因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移事件是細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生和傳播12。研究人員發(fā)現(xiàn),細(xì)菌不僅能快速產(chǎn)生耐藥性,而且能在菌落間相互傳播這種能力,這使得細(xì)菌能在短時(shí)間內(nèi)獲得多種抗生素的抗性。垂直遺傳已經(jīng)不足以解釋這一現(xiàn)象,水平基因轉(zhuǎn)移的研究由此得到重視。研究表明8,11,13,細(xì)菌的耐藥性基因能夠通過(guò)各種方式在菌株或菌種間廣泛傳播,受體細(xì)菌因而可以迅速、廣泛地運(yùn)用染色體外的元件來(lái)獲得對(duì)抗抗生素的性狀,從而適應(yīng)新環(huán)境。類似于細(xì)菌耐藥性,一些原核生物致病機(jī)理、代謝特性的傳播也通常歸因于相關(guān)基因的水平轉(zhuǎn)移11,13。 基因水平轉(zhuǎn)移作為原核生物進(jìn)化的一個(gè)重要機(jī)制,其重要

8、性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可,但是在量化其對(duì)基因組進(jìn)化的貢獻(xiàn)問(wèn)題上還存在爭(zhēng)議。近幾年的研究表明,水平基因轉(zhuǎn)移對(duì)原核生物的影響可能是極其廣泛的。Dagan等人14檢測(cè)了分布在181個(gè)原核生物基因組中的近54萬(wàn)個(gè)基因,發(fā)現(xiàn)平均每個(gè)基因組中都有至少(81±15)%的基因在其進(jìn)化歷程中的某段時(shí)間與水平基因轉(zhuǎn)移相關(guān)聯(lián)。而Treangen和Rocha15則對(duì)來(lái)自原核生物8個(gè)不同進(jìn)化枝的110個(gè)基因組進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,88%-98%的蛋白家族擴(kuò)增與水平基因轉(zhuǎn)移有關(guān),并且相對(duì)于另一蛋白進(jìn)化的推動(dòng)力基因重復(fù)，通過(guò)水平轉(zhuǎn)移的基因能更長(zhǎng)久地存在于原核生物中。 Zhaxybayeva等人16以11個(gè)完整測(cè)序的藍(lán)藻

9、(Cyanobacteria)基因組為對(duì)象,對(duì)其包含的 1128 個(gè)蛋白編碼基因家族進(jìn)行分析,并比對(duì) 168個(gè)已測(cè)序的其他原核生物基因組,結(jié)果發(fā)現(xiàn),藍(lán)藻基因組有復(fù)雜的進(jìn)化歷史,部分基因(甚至大多數(shù)基因)在不同物種中的關(guān)系不能簡(jiǎn)單地用分叉樹狀結(jié)構(gòu)表示,研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),有水平轉(zhuǎn)移傾向的基因涵蓋了幾乎所有的功能類型?？梢?jiàn)，基因水平轉(zhuǎn)移在原核生物的進(jìn)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(gè)生成途徑的一個(gè)基因簇是從曲霉屬(Aspergillus)處水平轉(zhuǎn)移而來(lái)的。另外還有真菌間毒力

10、基因的水平轉(zhuǎn)移的例證，Sun等人18也發(fā)現(xiàn) 2 個(gè)毒力效應(yīng)器基因家族分別從卵菌病原體和細(xì)菌處水平轉(zhuǎn)移到蛙壺菌(Batrachochytrium dendrobatidis)中，并可能在蛙壺菌的適應(yīng)過(guò)程中扮演了重要的角色?；蛩睫D(zhuǎn)移在微生物進(jìn)化中還是被認(rèn)為是一種重要的推動(dòng)力量19。3、 基因水平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)方法從蛋白和基因兩個(gè)不同的方面構(gòu)建了微生物界各個(gè)有機(jī)體之間的系統(tǒng)發(fā)育樹。Woese等21提出16SRNA基因序列是構(gòu)建舊系統(tǒng)發(fā)育樹關(guān)系的一個(gè)很好的工具。然而，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的進(jìn)化

11、之后，發(fā)現(xiàn)不同的基因可能導(dǎo)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(guò)物種或物種群而與其他形態(tài)學(xué)的、生理的或者有分子遺傳標(biāo)記的物種或物種群分開22。另一方面，從分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)角度研究23，遺傳物質(zhì)在微生物之間的轉(zhuǎn)移機(jī)制已經(jīng)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(zhuǎn)移在進(jìn)化方面的作用24。在這種情況下，20世紀(jì)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(zhuǎn)移的概念25。從此之后，大量的新數(shù)據(jù)更強(qiáng)化了這一觀點(diǎn)，特別是進(jìn)入基因組時(shí)代全序列的比較。 3.2 基因水平轉(zhuǎn)移與微生物系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系 在細(xì)菌和古細(xì)菌等微生物之間構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育

12、關(guān)系，與代謝和分子標(biāo)志相比，形態(tài)特征的使用是受限制的26。然而，基因水平轉(zhuǎn)移激發(fā)人們更精確的去構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，使得重新在這些標(biāo)志當(dāng)中找到了系統(tǒng)發(fā)生的信號(hào)?；诨蛩睫D(zhuǎn)移事件，一些專家27懷疑，是否有可能在微生物界構(gòu)建一個(gè)精確的系統(tǒng)發(fā)育樹.而有些專家28則說(shuō)核基因不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，保留住了這些系統(tǒng)發(fā)育的信號(hào)，這樣就可以構(gòu)建一個(gè)精確的微生物系統(tǒng)發(fā)育樹.而Kurland等29認(rèn)為有許多障礙會(huì)影響有機(jī)體之間的水平基因轉(zhuǎn)移，而減小了水平基因轉(zhuǎn)移對(duì)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的作用.而Sorek等30認(rèn)為沒(méi)有絕對(duì)的障礙會(huì)影響基因的轉(zhuǎn)移，因?yàn)樗屑易宓幕蚪M至少有一個(gè)基因可以在大腸桿菌中克隆。所以，水平基因轉(zhuǎn)移對(duì)在原核

13、生物界系統(tǒng)發(fā)育的構(gòu)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(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)系。 不管怎么說(shuō)，一些工具已經(jīng)被用于處理水平基因轉(zhuǎn)移在系統(tǒng)發(fā)育構(gòu)建上的作用，圍繞系統(tǒng)發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)工作，超矩陣和超樹.甚至有的專家32建議水平基因轉(zhuǎn)移可能作為構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹的工具，為方便解決疑問(wèn)提供sinapomorphies。最近，基于基因組組織結(jié)構(gòu)，又提出了一個(gè)構(gòu)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(zhuǎn)移這一事實(shí)，但是會(huì)受到親緣關(guān)系較近的有機(jī)體的限制。然而，當(dāng)我們有了包括水平基因轉(zhuǎn)移在內(nèi)的系統(tǒng)發(fā)育構(gòu)建的工具或方法時(shí)，水平基因轉(zhuǎn)移是否會(huì)妨礙我們使用進(jìn)化樹來(lái)

14、分析微生物的進(jìn)化，以及微生物界物種概念的問(wèn)題。 3.3 進(jìn)化樹分析方法 運(yùn)用最廣泛最簡(jiǎn)單的檢驗(yàn)基因水平轉(zhuǎn)移的方法是利用Blast相似性搜索。在親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的物種間, 它們的某個(gè)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(zhuǎn)移的初始證據(jù)或懷疑對(duì)象。物種間絕大部分基因的進(jìn)化關(guān)系與生物分類相符合, 只有少數(shù)發(fā)生水平轉(zhuǎn)移的基因進(jìn)化關(guān)系與傳統(tǒng)生物分類學(xué)差異極大(圖1)。因而,進(jìn)化樹上進(jìn)化枝的排列就成了判斷基因水平轉(zhuǎn)移的重要標(biāo)準(zhǔn)。有些基因在物種中是相當(dāng)保守的,可以用它們來(lái)建立所研究物種的進(jìn)化關(guān)系,作為判斷其他基因是否發(fā)生水平轉(zhuǎn)移的參考標(biāo)準(zhǔn)。用水平轉(zhuǎn)移目標(biāo)基因所構(gòu)建的進(jìn)化樹與用保守基因或

15、傳統(tǒng)的分類學(xué)方法構(gòu)建的進(jìn)化樹作比較(圖 1),從而判斷出目標(biāo)基因是否發(fā)生水平轉(zhuǎn)移以及發(fā)生轉(zhuǎn)移的時(shí)間和地點(diǎn)。 Lake 等33通過(guò)構(gòu)建進(jìn)化樹,發(fā)現(xiàn)核糖體蛋白S8從Bicillus水平轉(zhuǎn)移Methanobacterium中。Delorme 等34對(duì)前庭鏈球菌(Streptococcus vestibularis)的幾個(gè)等位基因以及基因組特定座位分離情況進(jìn)行分析, 認(rèn)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(jìn)化形成的對(duì)其進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),它們之間在研究的9個(gè)座位中有3個(gè)發(fā)生了基因水平轉(zhuǎn)移。雖然

16、進(jìn)化樹也有它本身的缺陷,用于構(gòu)建進(jìn)化樹的核苷酸序列所提供的信息并不能準(zhǔn)確的反映所有物種之間的進(jìn)化關(guān)系,而且在選擇不同的方法構(gòu)建進(jìn)化樹時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果35, 從而影響對(duì)水平轉(zhuǎn)移的評(píng)價(jià),但是進(jìn)化樹法仍是檢測(cè)基因水平轉(zhuǎn)移最有效的方法,也是應(yīng)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(jié) 水平基因轉(zhuǎn)移在歷史上的大量證據(jù),使人們有必要對(duì)微生物進(jìn)化理論進(jìn)行重新審視。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)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(guān)系的最佳方式,而網(wǎng)絡(luò)性的或類網(wǎng)狀的系統(tǒng)發(fā)育模式結(jié)合基因水平轉(zhuǎn)移才能給予它們恰當(dāng)?shù)拿枋?。同時(shí),水平基因轉(zhuǎn)移在微生物進(jìn)化中還是被認(rèn)為是一種重要的推動(dòng)力量。 參 考 文 獻(xiàn)1

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