基因水平转移

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水平基因转移(horizontal gene transfer, HGT),又称侧向基因转移(lateral gene transfer, 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细胞核。水平基因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,使基因流动的可能变得更为复杂。

1959年,一系列的文章报道了大肠杆菌(Escherichia coli)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(Salmonella typhimurium)突变菌株。同年,Tomochiro Akiba和Kunitaro Ochiai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。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,由于下列原因,人们才逐步使用水平基因转移的概念来解释所遇到的水平基因转移现象,并形成研究热点。

基因工程生物,特别是基因工程微生物(gene engineered organisms, GEOs, or gene engineered microorganisms, GEMs)的应用,及被释放到环境中后的安全性问题。抗药性病原菌的大量出现,许多药物,特别是抗生素已经不能抑制或杀死原来敏感的病原菌,这已不仅仅是基因突变可解释的,可能与抗药性基因的水平转移有关。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。

1 由质粒或病毒等介导的水平基因转移

质粒和病毒是在各生物间进行遗传物质传递的重要媒介。细菌中以F质粒为媒介的接合作用和以病毒(噬菌体)为媒介的转导作用是最普通的水平基因转移,而且这种转移还不只是发生在细菌之间,还发生在细菌与高等生物之间,例如在土壤微生物中,存在于根土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中的200kb Ti质粒上的T-DNA基因片段可整合进植物细胞的基因组中。即:根癌土壤杆菌中的T-DNA可转移到植物细胞核内。T-DNA还可以携带一定的外源基因,在植物基因工程中被广泛地用做基因转移载体[8]。此外,Ri质粒也可以协助遗传物质在细菌与植物间进行水平基因转移。

有关细菌与动物细胞间的水平基因转移,在1991年,Falkow综合论述了有些特定的细菌属可以入侵哺乳动物细胞的详细情况。Patrice Courvalin研究表明,弗氏志贺菌(Shigella flexneri)及E. coli的入侵型菌株以携带质粒进入哺乳动物细胞,质粒并可以整合进基因组中稳定地在子代细胞中表达。

2 基因的“直接”水平转移

水平基因转移除了通过质粒和病毒为媒介以外,目前大量发现的是不需要媒介的“直接”转移。1996年,Baur发现在从自然环境中采集的含一定离子的天然水样中,大肠杆菌可通过其内在调节机制建立自然感受态[12]。能够在自然环境中“直接”摄取外源DNA,这对原本认为大肠杆菌是不能建立自然感受态的传统概念是一种挑战。此外,枯草芽孢杆菌建立自然感受态的能力也早已得到人们的肯定,其基因组上有10多个基因与感受态的建立有关。随着环境中具有转化活性的DNA分子及感受态细胞的发现,自然转化在水平基因转移中的作用成为人们关注的焦点。所谓自然遗传转化是不需要任何媒介的“裸露”DNA分子与自然感受态细胞间相互作用的一种基因转移方式,可以发生在细菌之间,也可以发生在细菌与其它真核生物之间。因为自然遗传转化不需要致育质粒和噬菌体作为媒介,甚至不受时空的限制,可以发生在不同的生物之间,所以被认为很可能是水平基因转移的重要途径。在这一途径中,一种新的现象已引起人们的极大兴趣,即细菌细胞能主动分泌DNA到环境中,并具有转化活性,这不仅对传统的不涉及供体的自然转化概念提出了新的挑战,而且也为水平基因转移的深入研究提供了新的内容。特别近来有报道表明,细菌在逆境条件下形成生物膜(biofilm)的机制与细菌分泌到胞外的DNA密切相关,更引起人们广泛的关注。

由前可知,无论是在正常条件下,还是在逆境条件下,尤其是后者,细菌主动分泌DNA到环境中和从环境中摄取DNA都得到了有力的证明。如果能够在逆境条件下,找到细菌主动分泌及摄取DNA的结合点,有利于进一步揭示水平基因转移的机理。

3 基因组序列分析和水平基因转移

随着基因工程的深入开展,人类及其它生物基因组测序工作相继完成,人们发现不同物种之间,甚至亲缘关系很远的生物之间基因组上有大量同源基因存在。

在三域系统的基因组相互比对中,发现大量存在水平基因转移现象。海栖热袍菌MSB8(Thermotoga maritima MSB8)是一种属于细菌域的嗜热细菌,在其基因组中含有1872个预测的编码区,其中有1014个(54%)功能已知。在与古生菌的比对中,发现有24%的基因与古生菌基因相近,即有近1/4的基因来源于古生菌,成为古菌与细菌之间进行侧向基因转移的有力证据。

细菌基因组上含有来自高等生物的基因也有不少报道。如耐放射异常球菌(Deinococcus radiodurans)含有几个只有在植物中才有的基因;结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)的基因组上至少含有8个来自人类的基因,而且这些基因编码的蛋白质能帮助细菌逃避宿主的防御系统,显然这是结核分枝杆菌通过某种方式从宿主那儿获得了这些基因为自己的生存服务。

人类基因组测序工作的完成也进一步证实了水平基因转移的普遍性和远缘性。在人类基因组上已发现了223个来源于细菌的基因,这些基因无疑是通过水平基因转移机制获得的[21]。但在基因转移的时间上,目前还存在争议。

除了基因组比对外,人们还对部分蛋白质序列做了比对分析,发现有许多水平基因转移存在的证据。在细胞色素c的序列比对中认为长须银柴胡(Stellaria longipes)和鼠耳芥(Arabidopsis thaliana)很有可能与噬菌体之间发生过水平基因转移[23]。铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)中类似真核磷酸脂酶D(PLDS)的遗传学和生化分析指出,编码该酶的基因pldA是通过来自真核的水平基因转移获得的。

4 水平基因转移与进化

由前可知,水平基因转移实际上已被引入了分子进化及宏观进化领域,被认为是推动进化的重要动力。在这个意义上,水平基因转移不仅仅是一个基因转移的过程,实际上它是一个复杂的多步骤过程。Jonathan将此大致分为6个步骤。首先要被转移的遗传物质在供体中进化。当达到某一点时,遗传物质通过载体(如病毒)或者直接(如接合)或者间接(如转化)地进行转移。这些遗传物质必须获取能够在受体中长期存在的形式。不同的转移和存留方式决定了不同的水平基因转移类型。被受体接受的遗传物质在受体群落中广泛传播,即使这些遗传物质的传播是符合中性法则的,但是自然选择的压力会有可能促进这一传播过程(如抗生素抗性的选择)。而这一过程对供体和受体的进化都具有影响,最终有可能会产生一个的品系,这被称之为“改良(amelioration)”过程。

这一过程实际上是漫长而复杂的。这种基因转移到底发生在什么时候,目前有两种观点。一种认为水平基因转移发生在远古时候的早期生命,即单一的共同细胞祖先产生了所有的现代生物;另一种观点则认为,除了早期生命在进化过程中进行了大量水平基因转移外,现在的生命,即在物种形成清晰的谱系之后仍能毫无困难地交换基因。水平基因转移在历史上的大量证据,使人们有必要对生物进化理论进行重新审视。Doolittle认为许多原本在生物进化理论中基础的概念都需要经过重新审视。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。

随着转基因生物的商业化过程,转基因工程的生物安全性逐步受到人们的重视。有研究认为距今20亿年至10亿年间,发生了大量水平基因转移的事实。假设这是正确的话,在人为介入水平基因转移之后,大量穿梭载体及特异人工遗传物质的出现并释放到实验室之外后,是否会出现水平基因转移的第二次大爆发呢?

在距今20亿年至10亿年间,三域生物之间发生了大量的水平基因转移事件。认为现代真核生物的核(nu)来自于古细菌,线粒体(mi)和叶绿体(ch)来自真细菌。同时还发生了许多其它对现代生物影响深远的水平基因转移事件(源自Michael Syvanen, 2002)。

近年来,发现自然环境中存在大量具有转化活性的DNA分子以及能主动摄取外源DNA的感受态细胞,使得人们对环境中发生的水平基因转移有了新的认识,也必然引起人们对GEMs使用安全性的更深层次的思考。如果说自然环境微生物之间遗传物质的交流是一种正常的生态平衡系统,或者说是一种极其缓慢的优胜劣汰的进化过程,那么为了提高农业生产,甚至革新整个农业生产面貌,或治理环境污染,或其它方面的应用,人为地向环境中加入大量的人工构建的GEMs或其它的GEOs,也许是一种加速进化的“人工进化”过程,这个过程的结果是喜是忧?还是二者兼有?目前仍是未解决的问题,也是颇具争议的问题。水平基因转移及其产生的生态效应的深入研究,将有助于对GEOs做出新的评价,使得基因工程技术及转基因生物的应用发挥更辉煌的作用。

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