水平基因转移（Horizontal gene transfer）

基因水平转移(Horizontal gene transfer, HGT),又称横向基因转移或侧向基因转移(Lateral gene transfer, LGT), 是指在具有生物繁殖隔离的不同物种之间, 或单个细胞的叶绿体、线粒体等细胞器之间, 以及细胞器和细胞核之间所进行的DNA 片段的流动。从非严格意义上讲, 生物个体基因组内DNA 片段的移动也属于基因转移, 只不过是在基因组内部进行基因水平转移。发生基因交流的生物个体可以是亲缘关系较近的同属不同种之间的,也可以是亲缘关系较远的, 或没有亲缘关系的生物种之间, 有的甚至跨越了界的限制。基因水平转移是相对于常规的从亲代到子代的基因垂直转移(Vertical gene transfer, VGT)而提出的, 它打破了亲缘关系的界限, 使基因能够在不同的物种之间进行交换。

1928 年, 英国细菌学家Grifith 发现了一个有趣的现象, 将非致死性肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae) 与加热杀死的致死性肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)一起注射到小鼠体中时,非致死性的肺炎链球菌就成为了致死性的。Grifith 从这一现象猜测, 非致死性肺炎链球菌从致死性肺炎链球菌中获得了一种转化因子, 所以具有了毒性。1944 年, Avery 等指出Grifith 发现的转化因子就是DNA, 也就是死去的细菌分解出的DNA 片段, 通过水平转移整合到非致死性肺炎链球菌中造成的。这实际上是发现最早的基因水平转移现象。20 世纪60 年代, 在链球菌(Streptococcus)、嗜血杆菌(Haemophilus)、奈瑟菌(Neisseria)、芽孢杆菌(Bacillus, Synechococcus)、蓝细菌(cyanobacteria)和根瘤菌(Rhizobium)等微生物中均发现了噬菌体介导的基因水平转移, 即转导现象。然而, 在当时并没有提出基因水平转移的概念。早期的基因水平转移研究仅局限于个别微生物, 直到近代随着分子生物学技术和理论的发展, 在大量的微生物、动植物之间均发现了基因水平转移现象, 基因水平转移的概念才被广泛应用, 并且掀起了基因水平转移研究的高潮。我国国内虽然已有几篇关于基因水平转移的综述发表, 但在基因水平转移的评判标准、水平转移的特点和发生方式等方面还需深入。

自从基因水平转移的概念被提出来以后, 就成为了分子生物学一个新的研究热点。早期对基因水平转移的研究主要集中在原核生物, 一个重要的原因就是大量原核生物的核苷酸序列已经得到, 可以利用生物信息学进行相关的分析。随着许多高等生物基因组测序的完成, 人们开始关注真核生物的基因水平转移现象, 基因水平转移研究开始在更广泛的范围开展。虽然已有众多的基因水平转移现象被发现, 但是关于基因水平转移的判断方法, 目前尚没有一种大家均认可的评判标准, 在不同的研究报道中采用了不同的分析方法, 各有其生物学原理。判断基因水平转移最直观的概念是: 如果两个物种在分类学地位上差异大, 而某段特定的DNA序列却高度相似, 完全不能用基因的保守遗传来解释, 就可以认为这段DNA 在两个物种之间发生了水平转移。总的来说, 基因水平转移主要是通过比较不同物种之间DNA水平的片段差异而做出的推断, 到目前为止, 并没有直接的证据能够确认这一判断标准,在真核生物中尤其如此。评判基因水平转移的方法有进化树分析法、碱基组成分析法、选择压力分析法、内含子分析法、特殊序列分析法和核苷酸组成偏向性分析法等几种, 或用几种方法联合起来综合评判。

1 进化树分析法

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。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, 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。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,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, 也是应用最多并同时适合于原核和真核生物的方法。

2 碱基组成分析法

不同细菌物种之间基因组GC 含量是不同的,每个细菌物种基因组的GC 含量相对来说是比较稳定的, 而且在不同基因间是相对一致的, 它们不受外界因素的影响。如果某菌株某段特定DNA 序列的GC 含量明显高于或低于其基因组的其他部分, 就暗示着该特定DNA 序列是通过水平转移从外源的细菌或其它物种的质粒中得到的。如霍乱弧菌(Vibrio cholerae) 毒力岛(Vibrio pathogenicity island,VPI)的GC 含量是35%, 低于全基因组的GC含量(47%~49%), 并且与霍乱弧菌以外的其他菌种的毒力岛的结构相似, 也就暗示毒力岛基因是从其他菌种水平转移得来的。除了毒力岛外, 还有类似的毒力基因族, 如RTX(Repeat in toxin)基因族和新ⅣA 型纤毛基因族都与其母体弧菌基因组的GC含量显著不同, 说明这些基因来源于其他菌种, 也发生了基因水平转移现象。碱基组成分析法仅对细菌类物种水平转移分析适用, 而对于高等真核生物有其局限性, 因为高等生物的基因GC 含量不像细菌那样有强的物种特异性。

3 选择压力分析法

从某种意义上来说, 生物的进化就是基因的进化, 在生物进化过程中基因组DNA不断经受着选择压力的考验。亲缘关系较远的两个物种, 如果它们某个特定的基因高度相似, 且其所编码的氨基酸也没有发生改变, 同时该基因不处于选择压力之下,那么该基因就可能在两个物种之间发生了水平转移。判断基因是否处于选择压力主要是考察非同义替代数目(dN)与同义替代数目(dS)的比率(dN/dS)。若某个基因的dN/dS 数值显著大于该基因所在物种的保守基因的dN/dS 值, 则表明该基因在进化上不受选择压力。Silva 等通过对果蝇不同种间保守基因(ADH、PER、SOD)的dN/dS 与相应种间P 转座子基因的dN/dS 进行比较, 发现P 转座子基因的dN/dS 比保守基因的dN/dS 要高, 表明P 转座子基因在进化上不受选择压力的作用, 又由于P 转座子基因在果蝇各种间的同源性很高, 推断P 转座子基因在果蝇各种间发生了水平转移。Diao 等在分析首个高等植物核基因水平转移例证中, 也利用了选择压力分析法。选择压力分析法对于真核生物来说, 是很重要的分析法, 而且也适用于原核生物。

4 内含子分析法

一般来讲, 由于不受选择压力作用或选择压力小, 内含子(Intron)的序列在进化过程中的变异程度是非常高的, 这就为判断基因水平转移增添了新的方法。如果遗传进化差距较大的两个物种的某个特定基因, 不仅其编码区高度同源, 非编码的内含子区也高度同源, 则预示着该基因很可能是通过水平转移而得到的。越来越多的证据表明内含子是可以移动的, 被子植物的I 类内含子在进化过程中已经不止一次的通过基因水平转移侵入到线粒体coxI 基因中。内含子分析法在分析高等生物核基因水平转移方面是必需的, 因为高等生物核基因的编码区经受选择压力作用而表现保守, 只有内含子才不经受选择压力。

5 特殊序列鉴定法

一般情况下, 通过各种机制水平转移的基因往往拥有特定的重复序列或各种各样的插入序列等特殊结构, 可以作为判断基因水平转移的辅助标准。如细菌中的IS(Inserted sequence)序列在插入到宿主基因组中时, 一般会使宿主基因产生9~12 个碱基的重复; 真核生物DNA 介导的转座子(DNA-mediatedtransposon)转座插入到新的位点时, 也使宿主基因组产生几个碱基的重复。这些特殊结构都是基因发生水平转移的标志。在玉米Mutator 转座子mudrA基因的开放阅读框中, 存在原核生物的核糖体结合位点SD(Shine-Dalgarno sequence)元件,特殊序列分析法正如其名称一样, 只能在判断某基因或基因片段是否发生水平转移时作为辅助手段, 而且其多数情况下仅适用于原核生物的插入序列和真核生物的转座子。

6 核苷酸编码偏向性分析法

每个物种使用的密码子均具有一定的偏向性,这种偏向性在基因之间很稳定, 从而成为该物种基因构成的一个稳定特征。通过比较目标基因密码子的组成规律与其母体基因组密码子组成规律的异同,可以推测该目标基因是否发生了水平转移。在细菌基因组中, 通过检测10~20 个蛋白质基因的序列,可以建立该菌种的密码子频率偏向性选择表, 该表一方面反映了该菌基因组的GC 含量, 另一方面说明了该菌密码子编码的偏向性规律。如铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的PAK 和PAO 菌毛基因, 它们反常的密码子选择预示着这些基因不是进化造成的, 而是通过水平转移获得的。虽然这种方法在早期分析基因水平转移方面发挥了很大的作用,但是Ragan提出这种方法同其它方法得到的结果可能不一致, 所以现在这种方法只是作为基因水平转移判定的辅助方法。

另外, 物种的地理分布、生态类型、生活习性以及基因在不同物种间的分布状况和共线性排列等也可以作为评判物种间发生基因水平转移的辅助依据。总之, 判断基因水平转移现象是非常复杂的,通常我们需要综合几种方法得出合理的结论,

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