基因水平转移

Edeb 和 Ede/ 基 因 ! 且 Edej$!b$!/ 序 列 间 仅 有 #k 的 微 小 差
别 # 但 PF%$ 菌 株 Ede 序 列 中 有 新 的 <5= 插 入 片 段 ! 因 此 认 为 Ede 可发生水平转移 ! 并通过转移后基因重组使受体菌获 得新的性状 # l>g>8>i) 等 9G: 对 PF%$ 和其他非 PF 血清群中霍 乱弧菌 PF 抗原合成基因的分布进行了研究 ! 发现霍乱弧菌 中血清型的转换不依赖于简单的突变事件 ! 而可能与基因水 平转移及转移后基因重组有关 ! 此基因水平转移不仅出现在 霍乱弧菌菌株之间也可出现在霍乱弧菌与除霍乱弧菌以外 其他菌种之间 # 另外霍乱弧菌染色体基因组上还存在一种称之为超级 % 8V10E7)*I0AE3!/C& 的元件 ! 它 定 位 于 小 染 色 体 上 ! 大 小 整合子 约 为 F!G7ie! 聚 集 了 至 少 FR$ 个 基 因 盒 ! 其 编 码 的 整 合 酶 有 点特异性基因盒重组活性 # 经鉴定 !/C 编码的基因除与耐药 性 和 致 病 性 有 关 外 !还 与 多 种 适 应 性 有 关 !该 结 构 使 先 前 鉴 定的多耐药整合子 % @bC8 & 相形见绌 9R:# 在耐药性 PF%$ 菌株中 还 发 现 有 /LD 元 件 ! 该 元 件 大 小 约 为 G!7ie! 编 码 对 磺 胺 甲 基 唑 $ 三 甲 氧 苄 二 氨 嘧 啶 $ 氯 霉 素 及低剂量链霉素的耐药性 % 上述基因簇都位于其 &m 端整合子 % 编码蛋白链 释 放 样结构中& ! 能特异性的整合入受体菌 1Ed’ 因 子 %!b^%& 的 &m 端 ! 是 一 个 带 有 整 合 酶 的 完 整 的 可 自 行 转 移的单元 # 在耐药性 -C7D3E 型菌株中也发现存在该结构 # /LD 元件可通过接合作用在各种 fn 菌 % 包括霍乱弧菌 $ 大肠 埃 希 菌 $ 沙门氏菌等& 中转移 ! 甚至能 介 导 质 粒 b/^F"F"$’43<^F% 以及染色体 <5= 的转移 # 因此 ! 毒力基因簇也可以通过 /LD 元件进行水平转移 # 但与质粒相比 /LD 元件只能选择性的移 动某些 <5= 片段 ! 且效率相对较低 9c:# 四 $ 鼠疫耶尔森氏菌中的基因水平转移 鼠疫耶尔森氏菌基因组全长 #;G&O@e! 含有大量的 C/ 序 列 ! 说明在其染色体中可能存在着频繁的基因内重组 # 比较基因组学研究表明 ! 鼠疫耶尔森氏菌和假结核耶尔 森氏菌的 <5= 同源性为 c%o! 可能是 F7&""p!7""" 年前从 假结核耶尔森氏菌 P"Fe 血清型进化而来的 ! 且在进化过程 中鼠疫耶尔森氏菌以基因水平获得的方式从假结核耶尔森 氏菌中获得大量基因# 另外鼠疫耶尔森氏菌中的许多基因 % 粘附素基因 $ 分泌系统基因和毒素基因& 是从其他微生物获 得 ! 研究发现有些基因似乎来源于昆虫病原体 # 如编码鼠毒 素 lgI 的质粒就是蚤类生活所必需 ’ 再如鼠疫耶尔森氏菌中 存在一些在昆虫体内编码杀虫毒素复合物的基因
因就是转座子的一部分 " 而另一些转座子 $ 整合子的中心序 列则带有一种或多种耐药基因 " 如大肠埃希菌 I*% 抗青霉素 基因转座子就由 8 个 !! 内酰胺酶基因序列 $8 个转座酶基因 序列 $8 个转 座 酶 基 因 抑 制 蛋 白 基 因 序 列 和 ! 个 反 向 重 复 序 列组成 " 转座酶可以把 ! 个反向重复序列所标记的结构单位 转移到另一位置 " 转座子宿主范围广 ! 可 在 GM 菌 和 GN 菌 之 间转移 " 因此 ! 通过转座方式使耐药基因增多是造成多重耐 药菌的重要原因 ! 并易在细菌间传播和造成医院内外的感染 流行 " 同时转座子 $ 整合子也是细菌进化的重要因子 ! 它们可 搭载在较大的细胞结构上 & 如质粒% ! 从一个细胞转移到另一 个细胞 ! 甚至从一个物种转移到另一个物种 " 细菌可以通过 捕获转座子而快速获得一种新的适应功能 " 转座子在真核生 物中也普遍存在 ! 据说它们与遗传重组及种形成有关 " 基因水平转移在增加菌种的遗传多样性及使受体菌获 & 如毒力 $ 耐药性% 上起着重要作用 " 得新的生物学性状 二 $ 基因水平转移的特点
基金项目 ’ 国家自然科学基金资助项目 & "#$%&’(&% 作者单位 ’)$’)$) 广州 ! 第一军医大学流行病学教研室
(&F"(
中国地方病学杂志 !""# 年 $ 月 !" 日第 !% 卷第 & 期 ’()*+,+-*.!/01+!"! !""#!234++!%! 536&
%67 非 特 异 性 " 除 以 噬 菌 体 为 载 体 的 基 因 水 平 转 移 仅 发
!O+非复 杂 性 ’ 基 因 组 中 基 因 可 大 致 分 为 两 大 类 ’ 一 类 为
& )*>3;?<:)3*<4+E0*0= % ! 另一类为操作基因 & 310;<:)3*<4+ 信息基因
E0*0=% " 从理论上讲 ! 原核生物中的各种基因都可通过接合 $
转化 $ 转导等多种方式进行水平转移 " 但是 ! 事实上不是所有 的基因都具有相同的被成功转移的可能性 " 基因是否容易被 转移入新宿主与该基因所参与的功能有关 " 参与转录 $ 翻译 及相关过程的基因 & 信 息 基 因% 能 被 水 平 转 移 的 可 能 性 就 低 & 操作基因% " 为此 ! 有学者提出 于参与基本生理功能的基因 复杂性假说以解释这种现象 T8U" 他们认为信息基因 ! 尤其是翻 译 $转 录 构 件 都 是 庞 大 而 复 杂 系 统 的 成 员 !而 大 多 数 操 作 基 因是少数基因产物简单组合中的成员 " 如大肠埃希菌中的翻 译过程至少要求 8"" 基因产物及其非基因产物如离子 $ 小分 子 & 如 GIV$G@V 等% $ 膜的相互间的协同作用 " 而在硫氧还蛋 白 ! 硫氧还蛋白还原酶复合体中 ! 一个蛋白只与一个基因产 物相作用 " 因此 ! 信息基因相互作用的复杂性就是一个显著 的限制其有高水平转移率的因素 "
8OP 连 续 性 ’ 原 核 生 物 基 因 组 间 的 基 因 水 平 转 移 每 时 每
刻 都 在 进 行 着 !它 不 仅 出 现 在 原 核 生 物 进 化 的 早 期 !在 原 核 生 物 进 化 的 各 个 阶 段 也 都 有 发 生 " 有 学 者 对 AQD>)>0R$
/K*0B(3BK=:)=$ 芽 孢 杆 菌 $ 大 肠 埃 希 菌 $ 甲 烷 球 菌 $ 古 老 球 菌 S
中国地方病学杂志 !""# 年 $ 月 !" 日第 !% 卷第 & 期 ’()*+,+-*.!/01+!"! !""#!234++!%! 536&
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, 综述 ,
基因水平转移
江凌晓 俞守义
基因和基因组学研究表明 ! 基因水平转移在细菌的多样 性和基因组的进化过程中起重要作用 " 生物学上基因水平转 # 质 粒 $转 座 子 $整 合 子 $ 移是指基因组中可移动的基因成分 转 座 噬 菌 体 $ 前 噬 菌 体 等% 通 过 转 化 $ 接 合 $ 转 导 $ 溶 源 性 转 换 $转 座 等 方 式 从 一 菌 株 7 克 隆 $种 或 属 的 生 物 转 移 到 另 一 菌 株 7 克 隆 $种 或 属 的 生 物 中 !而 使 后 者 获 得 新 的 性 状 的 过 程 " 基因水平转移研究在追踪菌株来源 $ 研究菌株变迁情况 以及探讨造成不同地区流行菌株之间的关系上有重要意义 " 一 $ 基因水平转移方式 & :;<*=>3;?<:)3*% ’ 转 化 是 指 供 体 菌 裂 解 后 游 离 的 869 转 化
生在同种细菌内以外 ! 基因水平转移不仅能在同一种属细菌 间转移 ! 而且可在不同种属细菌间相互转移 # 但是跨种属的 基因交换要求供体菌和受体菌处于同一微生态环境中 ! 如定 居于人呼吸道的流感嗜血杆菌和脑膜炎奈瑟菌间就能交换 毒力因子 83.’ # 甚至原核生物中的某些基因也能够传递给
9!:
原合成的基因 Ede! 在许多方面它 与 毒 力 岛 类 似 " 在 染 色 体 上 有特异性位点 ! 两 边 含 有 序 列 保 守 区 !fO?O’Og34h与 基 因 组 其 他 部 分 不 同 ! 拥 有 插 入 序 列 % )*80EI)3*7 80_V0*H0!C/ &#
F 质粒是通过噬菌体转导方式将耐药性转移到敏感菌 )
& 4K=3E0*)B9B3*L0;=)3*% ’ 溶源性转换是指当 #69溶源性转换 噬菌体感染细菌时 ! 宿主菌染色体获得了噬菌体的 @5A 片 段 ! 使其成为溶源状态而使细菌获得新的性状 ) 如霍乱肠毒 素 + 白喉毒素 $ 肉毒毒素均由噬菌体编码 ! 此类噬菌体感染相 应的宿主菌后 ! 可因溶源性转换使宿主菌获得产生相应毒素 的能力 " & :;<*=13=0 % ’ 转 座 是 指 转 座 子 $整 合 子 在 质 粒 之 &69 转 座 间或质粒与染色体之间的自行转换现象 " 转座子 $ 整合子通 常都携带有完整的基因片段 ! 如大肠埃希菌的 /I 肠毒素基
@>**)*A 和 K)i 分 别 应 用 寡 核 苷 酸 探 针 技 术 和 W’b 技 术 比
较分析了 霍 乱 弧 菌 PF 群 和 PF%$ 群 的 Ede 区 域 ! 发 现 PF%$ 失 去 了 Ede 基 因 的 =%W 片 段 及 Ede 位 点 ! 保 留 有 Ede<$Edej$
真核生物 #
& 前 # 种为真细菌 ! 后 ! 种为古细菌% 全基因组序 种原核生物 列进行了系统发生分析! 并对这 S 种原核生物基因组中的 & 3;:(343E3D=+E0*0= % 进 行 了 鉴 定 !指 出 自 %8! 个 直 向 同 源 基 因 从原核生物出现分化以来基因水平转移就始终进行着 ! 而不 是仅仅发生在原核生物进化的早期 T8U"
@5A 片段被 受 体 菌 直 接 摄 取 ! 从 而 使 受 体 菌 获 得 新 的 性 状 (
如灭 活 的 有 荚 膜 光 滑 型 肺 炎 链 球 菌 中 编 码 荚 膜 产 生 的 @5A 片段被无荚膜粗糙型肺炎链球菌摄取后 ! 能使后者变为有荚 膜光滑型肺炎链球菌 ) 又如耐药菌溶解后释放出的 @5A 片 段能进入敏感菌内 ! 若该 @5A 片段上编码有耐药基因 ! 则敏 感菌就有可能转变为耐药菌 " & B3*CDE<:)3*% ’ 接 合 是 细 菌 通 过 性 菌 毛 相 互 连 接 !69 接 合 & 如质粒 @5A% 从供体菌转移给受体菌 " 质 沟通 ! 将遗传物质 粒 @5A 通过接合作用不仅可在同一种属细菌间转移 ! 而且 可在不同种属细菌间相互传递 " 现已证实不仅不同大肠埃希 菌菌株之间能发生 F 质粒转 移 ! 而 且 伤 寒 沙 门 菌 能 将 F 质 粒 传 递 给 大 肠 埃 希 菌 *反 过 来 !大 肠 埃 希 菌 也 可 将 不 同 来 源 的 F 质粒转移给伤寒沙门菌和痢疾志贺菌 ) & :;<*=.DB:)3*% ’ 转 导 是 以 温 和 噬 菌 体 为 载 体 ! 将 %69 转 导 供体菌的一段 @5A 转移到受体菌内 ! 而使受体菌获得新的 性状 ) 由于噬菌体有特异性 ! 故转导现象仅发生在同种细菌 内 ) 如金黄色葡萄球菌中 F 质粒的转导就是其转移耐药性的 重要方式 ) 与 GH 菌中 F 质粒通过接合方式由耐药传递因子 & ;0=)=:<*B09:;<*=>0;9><B:3; ! FIJ% 传 递 不 同 ! 金 黄 色 葡 萄 球 菌 中
#;+受 环 境 影 响 " 外 Байду номын сангаас <5= 能 否 成 功 进 入 受 体 菌 受 外 环
境 影 响 ! 如 受 体 菌 是 否 处 于 感 受 态 !’>!? 或 @A!B 浓 度 $ 温 度 $ 转移过程中是否有振动等 ! 而进入受体菌后该 <5= 片段在 基因组中的定位 $ 能否表达以及表达水平的高低则依赖于自 然选择作用 # 研究发现 !-C+D3E 型 5FG$GF 株只在大染色体上 有一个拷贝的 HIJ=K! 其他 -C7D3E 型菌株却都携带多个拷贝 的 HIJ=K! 而 古 典 生 物 型 在 小 染 色 体 上 也 有 一 个 拷 贝 的