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环境微生物群落中的基因交流

  经典微生物学将遗传突变和新基因合成看成是微生物进化的主要推动力。不认 为微生物群体中存在着遗传物质的交流。这也就是说,微生物基因组是非常稳定 的。根据上述理论,微生物基因组的进化过程应该是一个非常缓慢的过程。然而, 微生物遗传学的研究却显示,微生物具备从环境中摄取遗传物质的能力,摄取遗传 物质的途径包括转化(transforrnation,直接摄取裸露的DOA分子"转导 (transduction,由噬菌体介导)和接合(〇61331;〇6,由接合型质粒介导)。此夕卜, 早在20世纪50年代,科学家们就发现,由于抗生素广泛用于人类及各种动物的疾 病治疗,各种抗生素的抗性在微生物种群中迅速扩散开来。并且,与病原菌亲缘关 系较远的、未经抗生素处理的微生物同时获得了多种抗性=。这些现象无法用经典 微生物学的遗传突变和新基因合成学说来解释。随后的研究发现,这种多重抗性性 状的扩散,是携带有多抗基因的质粒在这些微生物种群中扩散所致=。然而,科学 家们对这一现象的普遍性远远认识不足。直到四十多年以后,也就是20世纪90年 代,随着DOA测序技术的长足进步,几十种微生物全基因组序列在相对短的时间 内得以完成,才引起了普遍的关注。这些研究成果促进了一个新兴学科,即基因组 学的发展。基因组学研究的重大成就之一就是,发现微生物基因组并不像经典微生 物学所认为的那样稳定+恰恰相反,亲缘关系较近的微生物基因组有着很大的差 异,而亲缘关系较远的微生物基因组又出现了同样或者十分相近基因或基因 族':。这些现象只能用微生物间遗传物质的交换,即水平基因转移来解释。
  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 进行的基因交流并稳定遗传下去的现象。在细胞起源的过程中,HGT就起了重要 的作用M。在当代微生物学中,HGT是一种非常重要的生物学现象,因为它不仅 是现代微生物育种、分子生态学、微生物进化及系统发育学的奠基石,而且对生物 技术和微生物病原菌学的研究以及细菌传染病的控制有重大影响。这是因为,和经 典纵向遗传不同,HGT可以使微生物一次性获得大量的可遗传性状。这样,只能 无性繁殖的微生物也具备了和有性繁殖真核生物同样的优势。从生物工程研究的角 度上来说,遗传物质的水平转移可使微生物获得许多优良性状和应用潜力。当然, HGT也能引起重大的社会问题,例如,目前业已证实,由致病基因组成的致病基 因岛可以转移5,这意味着非致病菌可以通过基因的水平转移获得致病基因岛,从而演变成致病菌。同样,抗生素的多抗性也可在不同的微生物种群中转移,由此衍 生出来的多抗致病菌,可称为“超级致病菌/将会成为威胁人类健康的一大灾难。 因此,研究基因水平转移的机制对于怎样应用这一生物学机制为生物学产业服务, 怎样防范“超级致病菌’’的产生,具有重大意义。
  如前所述,微生物可以通过转化、转导、接合三种方式获得外源遗传物质,目 前对于这些分子生物学过程也已了解。进入受体细胞的遗传物质可通过三条途径稳 定存留在细胞中,表达成宿主有用的基因产物并能纵向遗传给子代,能自主复制而 独立存在于细胞中+通过转座因子的介导插入染色体中+通过同源重组整合进染色 体中。生物信息学研究显示,细菌和古菌的基因组中携带着许多水平基因转移的 产物'(。
  现在摆在我们面前的难题是:微生物群落中遗传物质的交换究竟有多么频繁? 目前科学家们对此并未达成共识。有许多证据指明,微生物种群间的遗传物质交换 十分频繁,染色体的组成极不稳定,因此有人提出,传统分类学中“种’’的概念和 划分标准可能要重新考虑B,是否真是这样呢?显然,存在于基因组上的基因必须 包装成可转移的形式,然后才能转移,那么可作为横向转移的基因资源是以什么形 式存在于生态环境中的?特别是转化过程中涉及的是裸露的DNA分子,它们是以 什么形式存在于环境中才能保持其生物活性?广泛存在于自然界的遗传因子(病毒 或质粒)本身就是移动基因资源的一部分,它们在自然环境中存在的数量究竟有多 少?它们如何在自然条件下发挥HGT功能?已有研究显示,病毒粒子以十倍于微 生物细胞的数量存在于水生环境中。而在土壤环境里也大量存在着不同的质粒和病 毒。更为有趣的是,无论是细菌还是古菌,其质粒和病毒都显示出很丰富的生物多 样性',]。这一特性使得这些遗传因子具备了作为移动基因资源载体的条件。然 而,目前我们对这些遗传因子多样性的了解,很可能只是冰山一角。因此,要弄清 微生物种群间的遗传物质交换的频率和所有机制,以及它们在基因横向转移和生物 进化中的作用,尚有很多科研工作要做。
参考文献
Davies J. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiologia, 1996, 12: 9-16
Doolittle WF. Phylogenetic classification and the universal tree. Science, 1999, 284: 2124-2129
OchmanH,Lawrence JG,GroismanEA. Lateral gene transfer and the nature of bacterid
innovation. Nature, 2000, 405: 299-304
Woese CR. On the evolution of cell.. Proc Natl Acad Sti USA, 2002, 99, 8742-8747
Dobrindt U, Hochhut B, Hentschel U, et al. Genomic islands in pathogenic and environ¬
mental microorganism.. Nat Rev Microbiol, 2004, 2: 414-424
Cortez D, Forterre P, Gribaldo S. A hidden reservoir of integrative elements is the major source of recently acquired foreign genes and ORFans in archaed and bacterid ge-
nomes. Genome Biol, 2009, 10: R65
Bohannon J. Confusing kinships. Science, 2008, 320: 1031-1033
Norman A, Hansen LH, Sorensen SJ. Conjugative plasmids: vessels of the communal gene
pool. Philos Trans RSoc Lond B Biol Sci, 2009, 364: 2275-2289
Frost LS, Leplae R, Summers AO, et al. Mobile genetic elements : the agents of open
source evolution. Nat Rev Microbiol, 2005, 3: 722-732
撰稿人:余群新 丹麦哥本哈根大学 审稿人:冯婕沈萍 
 
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