基因水平转移在微生物进化与系统发育中的作用

基因水平转移在微生物进化与系统发育中的作用摘要：基因水平转移是原核生物界适应进化的一种重要源动力，在细菌和古细菌等微生物的进化过程中都可以进行。本文简要介绍了基因水平转移的研究进程及其在微生物进化中的作用及联系。利用微生物发育所建立的进化树上进化枝的排列成为了判断基因水平转移的重要标准，但是，基因水平转移是促进还是妨碍了微生物界系统发育关系的构建是有争论的。关键词：基因水平转移、微生物进化、系统发育、进化树基因水平转移（horizontalgenetransfer,HGT），又称基因侧向转移（lateralgenetransfer,LGT）是指在差异生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗传物质的交流。差异生物个体可以是同种，但含有不同的遗传信息的生物个体，也可以是远缘的，甚至没有亲缘关系的生物个体。单个细胞内部细胞器主要指的是叶绿体、线粒体及细胞核。基因水平转移是相对于垂直基因转移亲代传递给子代而提出的，它打破了亲缘关系的界限[1]。通过将新基因导入现有的基因组，水平基因转移能帮助受体生物绕过通过点突变和重组创造新基因的缓慢过程，从而加速基因组的革新和进化[2]。基因水平转移现象的发现揭示出生物进化的另一条途径，并引发研究人员对生物进化描述方式进行更多的思考和讨论。目前，基因水平转移这个概念己经逐渐被人们所接受，人们普遍认为，水平基因转移在原核生物和单细胞真核生物中发生较为频繁，并且是二者进化的重要动力，但其发生范围及进化意义尚存争议。另外，水平基因转移对于构建微生物界系统发育关系的作用尚无统一定论。1、基因水平转移的产生及研究概况Koonin等[3]主要围绕物种进化，提出一个新的进化法则，这个法则不是突变、自然选择、和漂移学说去解释细菌间物种进化的改变，而是“水平基因转移”，也叫“侧向基因转移”，是细菌和古细菌以及单细胞真核生物进化的直接动力，因此，它也是进化学说很重要的一部分。1959年,一系列的文章报道了大肠杆菌(Escherichiacoli)的高频转导(Hfr)菌株可以将遗传信息传递给特定的鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium)突变菌株[4-5]。同年，TomochiroAkiba和KunitaroOchiai发现病原菌中的抗性质粒，而这一发现直接导致了携带抗性的质粒可以在不同菌种间转移现象的发现，这实际上就宣告了野生型菌株间存在着水平基因转移[6-7]。近年来，随着分子进化研究和基因组学的发展,研究人员发现了越来越多的、更大范围、更为高等的生物之间的基因水平转移事件。然而,水平基因转移作为一种概念,并不是一开始就伴随着其现象的发现而出现的。直到20世纪90年代,由于种种原因,人们才逐步使用基因水平转移(horizontalgenetransfer)的概念来解释所遇到的水平基因转移现象，基因水平转移也在开始频繁出现在文献报道中，并形成研究热点。基因水平转移研究引人关注的主要原因是由于基因工程技术的发展，人工构建的转基因动植物和微生物越来越多,对其释放于环境后可能发生的基因转移及其深远影响还没有明确的认识。已发现基因的转移不仅仅是发生在细菌之间,而且也发生在细菌与高等生物之间,甚至是高等生物之间。2、基因水平转移在微生物进化过程中的作用基因水平转移对于微生物主要产生有两种结果，一种是遗传物质成功转移（比如由接合、转导、转染或者重组介导的基因转移）；另一种是通过传代而使被转移的遗传物质存活。但是基因水平转移也会遇到一定的物理障碍，以及对转移基因不同的选择压力。1999年，Jain等[8]提出了一个复合假说来解释微生物有机体中不同转移基因的敏感性。这个理论是这样的，与操纵子基因（参与细胞形态或结构的维持，并且其产物很少参与其他多分子反应）相比，所谓的报告基因（参与DNA的复制、转录和翻译，并且其产物也参与多分子间的反应）不易于发生水平基因转移.该理论与最近从原核生物基因组获得基因的贝叶斯推理特征是相符合的，它指出，转移基因偏向于结合DNA、致病力和细胞表面功能的基因，都包括操纵子的功能。同时指出，并不是所有的操纵子基因都可以发生水平基因转移。对原核生物而言,外源基因的获得被认为是基因组取得新基因的主要途径。通过基因转移从其他生物处取得可用基因,受体生物能被快速地赋予有利的表现型,从而获得开拓新资源和生态位的能力[9-11]。最具代表性的原核生物水平基因转移事件是细菌耐药性的产生和传播[12]。研究人员发现,细菌不仅能快速产生耐药性,而且能在菌落间相互传播这种能力,这使得细菌能在短时间内获得多种抗生素的抗性。垂直遗传已经不足以解释这一现象,水平基因转移的研究由此得到重视。研究表明[8,11,13],细菌的耐药性基因能够通过各种方式在菌株或菌种间广泛传播,受体细菌因而可以迅速、广泛地运用染色体外的元件来获得对抗抗生素的性状,从而适应新环境。类似于细菌耐药性,一些原核生物致病机理、代谢特性的传播也通常归因于相关基因的水平转移[11,13]。基因水平转移作为原核生物进化的一个重要机制,其重要性已经得到广泛认可,但是在量化其对基因组进化的贡献问题上还存在争议。近几年的研究表明,水平基因转移对原核生物的影响可能是极其广泛的。Dagan等人[14]检测了分布在181个原核生物基因组中的近54万个基因,发现平均每个基因组中都有至少(81±15)%的基因在其进化历程中的某段时间与水平基因转移相关联。而Treangen和Rocha[15]则对来自原核生物8个不同进化枝的110个基因组进行了分析,结果表明,88%-98%的蛋白家族扩增与水平基因转移有关,并且相对于另一蛋白进化的推动力—基因重复，通过水平转移的基因能更长久地存在于原核生物中。Zhaxybayeva等人[16]以11个完整测序的蓝藻(Cyanobacteria)基因组为对象,对其包含的1128个蛋白编码基因家族进行分析,并比对168个已测序的其他原核生物基因组,结果发现,蓝藻基因组有复杂的进化历史,部分基因(甚至大多数基因)在不同物种中的关系不能简单地用分叉树状结构表示,研究同时发现,有水平转移倾向的基因涵盖了几乎所有的功能类型。可见，基因水平转移在原核生物的进化中的存在是毋庸置疑的。2011年,Slot和Rokas[17]发表文章称,他们发现柄孢壳菌属(Podospora)中控制柄曲霉素(sterigmatocystin)整个生成途径的一个基因簇是从曲霉属(Aspergillus)处水平转移而来的。另外还有真菌间毒力基因的水平转移的例证，Sun等人[18]也发现2个毒力效应器基因家族分别从卵菌病原体和细菌处水平转移到蛙壶菌(Batrachochytriumdendrobatidis)中，并可能在蛙壶菌的适应过程中扮演了重要的角色。基因水平转移在微生物进化中还是被认为是一种重要的推动力量[19]。3、基因水平转移在系统发育中的作用3.1系统发育与基因水平转移的出现系统发育树的创始人Zuckerkandl等[20]最初利用分子生物信息学方法从蛋白和基因两个不同的方面构建了微生物界各个有机体之间的系统发育树。Woese等[21]提出16SRNA基因序列是构建旧系统发育树关系的一个很好的工具。然而，经过一段时间的进化之后，发现不同的基因可能导致系统发育的不一致性，这种变化主要是发生在微生物之间，通过物种或物种群而与其他形态学的、生理的或者有分子遗传标记的物种或物种群分开[22]。另一方面，从分子生物学和分子遗传学角度研究[23]，遗传物质在微生物之间的转移机制已经了解了很多，并且在16SRNA基因序列之后不久，又提出了交叉物种基因转移在进化方面的作用[24]。在这种情况下，20世纪90年代初，作为系统发育树的另一种解释，便出现了微生物之间水平基因转移的概念[25]。从此之后，大量的新数据更强化了这一观点，特别是进入基因组时代全序列的比较。3.2基因水平转移与微生物系统发育的关系在细菌和古细菌等微生物之间构建系统发育关系，与代谢和分子标志相比，形态特征的使用是受限制的[26]。然而，基因水平转移激发人们更精确的去构建系统发育关系，使得重新在这些标志当中找到了系统发生的信号。基于基因水平转移事件，一些专家[27]怀疑，是否有可能在微生物界构建一个精确的系统发育树.而有些专家[28]则说核基因不会发生转移，保留住了这些系统发育的信号，这样就可以构建一个精确的微生物系统发育树.而Kurland等[29]认为有许多障碍会影响有机体之间的水平基因转移，而减小了水平基因转移对构建系统发育关系的作用.而Sorek等[30]认为没有绝对的障碍会影响基因的转移，因为所有家族的基因组至少有一个基因可以在大肠杆菌中克隆。所以，水平基因转移对在原核生物界系统发育的构建造成了一定的影响，而Bapteste等[31]的研究则表明，原核生物界约0.7%的核基因就可以构建系统发育的关系。不管怎么说，一些工具已经被用于处理水平基因转移在系统发育构建上的作用，围绕系统发育的网络工作，超矩阵和超树.甚至有的专家[32]建议水平基因转移可能作为构建系统发育树的工具，为方便解决疑问提供sinapomorphies。最近，基于基因组组织结构，又提出了一个构建原核生物界系统发育树的新方法，似乎更加肯定了水平基因转移这一事实，但是会受到亲缘关系较近的有机体的限制。然而，当我们有了包括水平基因转移在内的系统发育构建的工具或方法时，水平基因转移是否会妨碍我们使用进化树来分析微生物的进化，以及微生物界物种概念的问题。3.3进化树分析方法运用最广泛最简单的检验基因水平转移的方法是利用Blast相似性搜索。在亲缘关系较远的物种间,它们的某个特定基因或特定基因的某一段序列相似性极高,一般就可以作为基因水平转移的初始证据或怀疑对象。物种间绝大部分基因的进化关系与生物分类相符合,只有少数发生水平转移的基因进化关系与传统生物分类学差异极大(图1)。因而,进化树上进化枝的排列就成了判断基因水平转移的重要标准。有些基因在物种中是相当保守的,可以用它们来建立所研究物种的进化关系,作为判断其他基因是否发生水平转移的参考标准。用水平转移目标基因所构建的进化树与用保守基因或传统的分类学方法构建的进化树作比较(图1),从而判断出目标基因是否发生水平转移以及发生转移的时间和地点。Lake等[33]通过构建进化树,发现核糖体蛋白S8从Bicillus水平转移Methanobacterium中。Delorme等[34]对前庭链球菌(Streptococcusvestibularis)的几个等位基因以及基因组特定座位分离情况进行分析,认为唾液链球菌(Streptococcussalivarius)和前庭链球菌是不同的种,唾液链球菌在某些座位的多样性高于前庭链球菌,表明后者是最近才进化形成的对其进行分析后发现,它们之间在研究的9个座位中有3个发生了基因水平转移。虽然进化树也有它本身的缺陷,用于构建进化树的核苷酸序列所提供的信息并不能准确的反映所有物种之间的进化关系,而且在选择不同的方法构建进化树时,可能会出现不同的结果[35],从而影响对水平转移的评价,但是进化树法仍是检测基因水平转移最有效的方法,也是应用最多不仅适合于原核生物，同样适合真核生物的方法。4、小结水平基因转移在历史上的大量证据,使人们有必要对微生物进化理论进行重新审视。传统的简单分支的系统发育树不能成为表现众多生物亲缘关系的最佳方式,而网络性的或类网状的系统发育模式结合基因水平转移才能给予它们恰当的描述。同时,水平基因转移在微生物进化中还是被认为是一种重要的推动力量。参考文献[1]欧剑虹.水平基因转移[J].遗传,2003,5(25):623-627.[2]ZhaxybayevaO.HorizontalGeneTransferandInnovationinGenomeEvolution[D].[S.l.]:UniversityofConnecticut,2004.[3]KooninEV.DarwinianEvolutionintheLightofGenomics[