细菌遗传转化与水平基因转移_谢志雄
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第22卷第4期 中南民族大学学报(自然科学版) V ol.22No.4 2003年12月 Journal of South-Central University for Nationalities(Nat.Sci.Edition) Dec.2003
细菌遗传转化与水平基因转移
谢志雄 沈 萍*
(武汉大学生命科学学院)
摘 要 介绍了细菌中水平基因转移、转移途径(转化、接合和转导)以及细菌遗传转化即自然条件中的转化、自然遗传转化及人工转化等研究进展,并且对细菌遗传转化在水平基因转移中的作用进行了探讨.
关键词 细菌;遗传转化;水平基因转移
中图分类号 Q933 文献标识码 A 文章编号 1672-4321(2003)04-0001-05
水平基因转移(ho rizontal g ene tra nsfer)在20世纪90年代后开始频繁出现在文献报道中.水平基因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.目前人们对于遗传工程生物的安全性问题的争论多集中在这个方面[1,2].笔者拟从水平基因转移的角度探讨细菌遗传转化现象及其在水平基因转移中的作用.
1 水平基因转移
水平基因转移有别于一般亲本和其后代之间遗传信息垂直的传递形式,是在生物个体之间进行的基因转移.对水平基因转移的研究不仅使我们能了解水平基因交换对生物进化历程的深刻影响,更重要的是可以作为对偶然或有意识向环境中释放遗传工程生物(genetically modified o rganisms,GMOs)的风险评估依据[3].
通过对特定基因的核苷酸序列或由其推导出的蛋白质氨基酸序列的分析,发现在生物进化过程中普遍存在着基因的侧向传播,其中细菌处于中心环节.先后在植物与细菌间、人细胞与细菌间、植物与动物间、真菌与细菌间、古生菌与细菌间、原生生物与细菌间以及细胞器与细胞核之间发现存在水平基因转移现象[4,5].
1.1 细菌中的水平基因转移
在细菌中,基因转移不是其生活周期中的必需部分,遗传物质从一个机体转移到另一个机体可产生深远的影响,如提高细菌致病能力或使其具有针对某种抗生素的抗性.此外,供体细胞的一些基因转移到受体细胞中,来源于2个不同细胞的基因(DN A)间的整合有助于保持群体的遗传多样性[6].
通过对大肠杆菌(Esc herichia coli)M G1655菌株全序列的分析来评估水平基因转移对细菌基因组进化的全面影响,发现自E.coli从Salmonella中分离出来,至少发生了34起水平基因转移事件,其基因组4288个开放阅读框中的755个(共547.8kb)是通过水平基因转移而来,约占总数的17.6%.由于E.coli染色体长度是保守的,当通过水平转移获得新的序列后会通过缺失丢掉等长的其他序列,所以在E.c oli基因组中基因组成是动态的,使得基因组中具现实意义的基因得以引入并保留,替换非必需部分,整个染色体是镶嵌性的,通过这种方式可以有效地改变一种细菌的适应能力和致病特性[7,8].
1.2 水平基因转移研究
水平基因转移的研究不仅有助于对生物进化、物种形成等生物学基本问题全面、深刻地认识,更为重要的是水平基因转移研究的现实紧迫性:
(1)抗生素抗性问题.近年来,陆续发现不能被目前任何一种已知抗生素控制的病原菌的“超级细菌”变种.细菌除自发突变产生新的抗药性并遗传给后代外,多数情况下细菌通过从其它细菌接受抗药性基因,而获得对某种抗生素的抗药性[8,9].人类在与细菌性疾病的对抗中面临着新的挑战.利用水平基因转
⒇收稿日期 2003-07-09 *通讯联系人
作者简介 谢志雄(1969-),男,博士后,研究方向:微生物遗传学,武汉430072
基金项目 国家自然科学基金资助项目(30370017)、武汉市青年科技晨光计划资助项目(20015005051)和武汉大学青年创新科技基金
移的研究成果,建立合理有效地使用抗生素的方式,降低新的抗药性产生的频率,特别是减少抗药性基因传播的几率,将会有助于人类在这场与细菌的对抗中取得优势.
(2)遗传工程生物的安全性问题.随着遗传工程的产生与发展,越来越多的GM Os已经或将被释放于环境中,人们对GM Os释放的安全性疑虑重重.这种担心主要集中在2个层面.一方面是GM Os中经改造后的遗传物质及其产物对人的潜在影响,另一方面是GM Os释放于环境中改变了原有基因库的结构和组成,对生物多样性和生物进化的影响方式和程度.对GM Os释放的生物安全性的认识存在2种对立观点,均承认水平基因转移的存在,而对其作用和影响程度的评估是两派的重要分歧所在[2,5].
目前有关水平基因转移方面的研究工作还处于初级阶段,大多集中在2个层次,一方面不断发现并证实各种水平基因转移现象,另一方面从系统发育的角度研究进化过程中的水平基因转移事件,而对水平基因转移发生机制的研究还是一个薄弱环节[7,10].
2 细菌水平基因转移的途径
一般认为细菌仅通过二分裂方式增殖,没有类似于真核生物通过有性生殖而获得遗传信息转移重组的机制.细菌转化、接合和转导的研究已有数10年的历史,但一直是作为细菌中类似于高等生物的有性现象和作为遗传作图的工具.自然条件下进行的转化、接合和转导过程实际上介导了细菌间的水平基因转移.水平基因转移现象的发现与确证赋予转化、接合和转导研究新的生命力,这方面的研究成果将有助于阐明细菌间水平基因转移的机制及水平基因转移在生物进化中的地位[6].
2.1 转化
转化一般是指某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一个基因型细胞的游离DN A(free DN A)而使它的基因型和表型发生相应变化的现象[11].1928年英国医生Griffith在研究肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)感染小鼠的实验中发现转化现象.Griffith发现将活的粗糙非致死肺炎链球菌与经加热杀死的光滑致死肺炎链球菌混合物注射小鼠,小鼠染病致死,从中分离到活的光滑型肺炎链球菌.粗糙型肺炎链球菌可被转变为光滑型肺炎链球菌,而且这种改变可以遗传.文献[12]从元素分析、酶学分析、血清分析以及生物活性鉴定等方面证实引起肺炎链球菌转化的转化因子是DN A,第一次为遗传物质是DN A而不是蛋白质提供了直接证据,也表明水平基因转移的主要载体是DN A.在肺炎链球菌中发现转化现象后,在许多种类生物中观察到转化现象,如Acinetobacter、B acillus、Haemophilus、N eisse-ria和Staphyloc occus以及酵母.
细菌整个转化过程是由染色体上的众多基因参与调控编码的,是细菌典型的基因水平转移方式.有关转化机制的研究表明,抽提得到的裸露DN A与感受态细胞混合,每细胞最多可摄取约10个DN A片段,低于正常细胞中DN A量的5%.DN A摄取只发生在细胞生长的特定阶段,可能在完整细胞壁形成以前.在此阶段,一种被称为感受态因子的蛋白质释放于介质中促进DN A进入细胞内,而且缺乏感受态因子的培养物经其处理后可建立感受态而摄取DN A 片段.然而,不是所有细菌都可建立感受态,即不是所有的细菌可以被转化.DN A进入细胞依赖于细胞壁的改变和质膜上形成可结合DN A的特异性受体,有的受体可以识别不同来源的DN A,结合来源相同或近缘种属的DN A,而排斥远缘种属的DN A.在转化过程中,DN A与特异性受体结合前对DNase I是敏感的,这是转化的一个基本特征.DN A结合到膜上后,内切酶将双链DN A切割成7000~10000个碱基对大小的片段,双链分离,仅一条链进入细胞,经过重组整合到染色体上[12,13].
2.2 接合
文献[11]首先发现细菌中存在由质粒介导的类似有性过程的基因交换重组现象.接合与转化之间存在明显的差异.首先,接合需要细胞与细胞之间的直接接触;其次,可以进行接合的细胞必须属于不同的配型,即供体细胞必须携带质粒(性因子、致育因子),而受体细胞则没有.细菌的接合过程分为接合配对的形成和DN A的转移2步进行,质粒上携带的基因表达形成特定的结构(如性伞毛)使供体和受体细胞配对,在其间建立一种通道,DN A可借此从供体细胞进入受体细胞,然后如同转化过程中发生的一样,与受体DN A进行重组,受体细胞借此获得新的性状.接合过程是由染色体外遗传因子编码的功能.
2.3 转导
转导是由病毒介导的细胞间进行遗传转移的一种方式,是指一个细胞的DN A或RN A通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中.转导过程中,裸露DN A不能完成转导,不同于转化或接合过程.转导是与噬菌体生命周期密切相关的,噬菌体感染细菌后其DN A在细菌体内增殖,在装配过程中发生误包装,一
2 中南民族大学学报(自然科学版)第22卷