基因水平轉(zhuǎn)移的評判方法和轉(zhuǎn)移方式研究進(jìn)展課件

1基因水平轉(zhuǎn)移的評判方法和轉(zhuǎn)移

方式研究進(jìn)展基因水平轉(zhuǎn)移的概念基因水平轉(zhuǎn)移的發(fā)現(xiàn)歷程基因水平轉(zhuǎn)移發(fā)生的評判方法基因水平轉(zhuǎn)移方式基因水平轉(zhuǎn)移在基因組進(jìn)化中的作用2一、基因水平轉(zhuǎn)移的概念基因水平轉(zhuǎn)移(Horizontalgenetransfer，HGT).又稱橫向基因轉(zhuǎn)移或側(cè)向基因轉(zhuǎn)移，是指在具有生物繁殖隔離的不同物種之間，或單個(gè)細(xì)胞的葉綠體、線粒體等細(xì)胞器之間，以及細(xì)胞器與細(xì)胞核之間所進(jìn)行的DNA片段的流動，是不同物種之間或細(xì)胞器間基因的交流，它打破了親緣關(guān)系的界限，使基因能夠在不同的物種之間進(jìn)行交換。3二、基因水平轉(zhuǎn)移的發(fā)現(xiàn)歷程1928年英國細(xì)菌學(xué)家Grifith發(fā)現(xiàn)，將非致死性肺炎鏈球菌與加熱殺死的致死性肺炎鏈球菌一起注射到小鼠體內(nèi)時(shí)，非致死性的肺炎鏈球菌就成了致死性的。Grifith猜想非致死性肺炎鏈球菌從致死性肺炎鏈球菌中獲得了一種轉(zhuǎn)化因子。1944年，Avery等指出Grifith發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化因子是DNA，也就是死去的細(xì)菌分解出的DNA片段，這實(shí)際是發(fā)現(xiàn)最早的基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。420世紀(jì)60年代，在鏈球菌、嗜血桿菌、奈瑟菌、芽孢桿菌、藍(lán)細(xì)菌和根瘤菌等微生物中均發(fā)現(xiàn)了噬菌體介導(dǎo)的基因水平轉(zhuǎn)移即轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象。直至近代，隨著分子生物學(xué)技術(shù)和理論的發(fā)展，在大量的微生物、動植物之間均發(fā)現(xiàn)了基因水平轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。因此，基因水平轉(zhuǎn)移的概念才被廣泛應(yīng)用。5三、基因水平轉(zhuǎn)移發(fā)生的評判方法進(jìn)化樹分析法堿基組成分析法選擇壓力分析法內(nèi)含子分析法特殊系列鑒定法核苷酸編碼偏向性分析法6（一）、進(jìn)化樹分析法在親緣關(guān)系較近的物種間，它們的某個(gè)特定基因的某一段序列相似性較高，一般可以作為基因水平轉(zhuǎn)移的初始證據(jù)，物種間絕大部分基因進(jìn)化關(guān)系與生物分類相符合，只有少數(shù)發(fā)生水平轉(zhuǎn)移的基因進(jìn)化關(guān)系與傳統(tǒng)生物分類差異極大，因而進(jìn)化樹上進(jìn)化枝的排列就成了判斷基因水平轉(zhuǎn)移的重要標(biāo)準(zhǔn)。7用水平轉(zhuǎn)移目標(biāo)基因所構(gòu)建的進(jìn)化樹與用保守基因或傳統(tǒng)分類方法構(gòu)建的進(jìn)化樹作比較，從而判斷出目標(biāo)基因是否發(fā)生水平轉(zhuǎn)移以及發(fā)生轉(zhuǎn)移的時(shí)間和地點(diǎn)。進(jìn)化樹分析法判定基因水平轉(zhuǎn)移模式圖

8例如，在家蠶中發(fā)現(xiàn)的chi2、gluE和fruA這三個(gè)基因分別與腸道細(xì)菌、沙門細(xì)菌、巨大芽孢桿菌等微生物相應(yīng)基因的氨基酸序列高度相似；而與家蠶關(guān)系較近的線蟲、果蠅、按蚊以及昆蟲的類似基因之間的相似性卻很低。這表明家蠶的這三個(gè)基因與腸道細(xì)菌、沙門細(xì)菌、巨大芽孢桿菌等微生物相應(yīng)基因有共同的祖先，即微生物基因水平轉(zhuǎn)移到家蠶中。9Delorme等對前庭鏈球菌(Streptococcusvestibularis)的幾個(gè)等位基因以及基因組特定座位分離情況進(jìn)行分析,認(rèn)為唾液鏈球菌(Streptococcussalivarius)和前庭鏈球菌是不同的種,唾液鏈球菌在某些座位的多樣性高于前庭鏈球菌,表明后者是最近才進(jìn)化形成的。對其進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),它們之間在研究的9個(gè)座位中有3個(gè)發(fā)生了基因水平轉(zhuǎn)移。10朱新宇對具有頂復(fù)合器門的原生動物(Apicomplexanprotozoa)的質(zhì)體樣細(xì)胞器—Apicoplast的clpC基因進(jìn)行分析,與該基因在其他質(zhì)體和細(xì)菌中的同源基因重建clpC基因的系統(tǒng)發(fā)生樹,結(jié)果顯示細(xì)菌伯氏疏螺旋體(Borreliabuigdorferi)基因組的clpC基因整合到了質(zhì)體樣細(xì)胞器中,發(fā)生了由細(xì)菌向質(zhì)體樣細(xì)胞器的基因水平轉(zhuǎn)移。11（二）、堿基組成分析法

不同細(xì)菌物種之間基因組GC含量是不同的，每個(gè)細(xì)菌物種基因組的GC含量相對來說是比較穩(wěn)定的，而且在不同基因間是相對一致的，它們不受外界因素的影響。如果某菌株某段特定DNA序列的GC含量明顯高于或低于其基因組的其他部分，就暗示著該特定DNA序列是通過水平轉(zhuǎn)移從外源的細(xì)菌或其他物種的質(zhì)粒中得到的。12霍亂弧菌毒力島的GC的含量是35%，低于全基因組含量（47%-49%），并且與霍亂弧菌以外的其他菌種的毒力島的結(jié)構(gòu)相似，也就暗示毒力島基因是從其他菌種水平轉(zhuǎn)移而得來的.13（三）、選擇壓力分析法

親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的兩個(gè)物種中，如果它們某個(gè)特定的基因高度相似，并且其編碼的氨基酸也沒有發(fā)生改變，同時(shí)該基因不處于選擇壓力之下，那么該基因就可能在兩個(gè)物種之間發(fā)生了水平轉(zhuǎn)移。判斷基因是否處于選擇壓力主要是考察非同義替代數(shù)目(dN)與同義替代數(shù)目（dS)的比率。若某個(gè)基因的dN\dS數(shù)值顯著大于該基因所在的物種的保守基因dN\dS值，則表明該基因在進(jìn)化上不受選擇壓力。14Silva等通過對果蠅不同種間保守基因（ADH、PER、SOD）的dN\dS與相應(yīng)種間P轉(zhuǎn)座子基因的dN\dS進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)P轉(zhuǎn)座子基因的dN\dS比保守基因的dN\dS高，表明P轉(zhuǎn)座子基因在進(jìn)化上不受選擇壓力作用。又由于P轉(zhuǎn)座子基因在各種間的同源性很高，推斷P轉(zhuǎn)座子基因在果蠅各種間發(fā)生水平轉(zhuǎn)移。15（四）、內(nèi)含子分析法如果遺傳變化差距較大的兩個(gè)物種的某個(gè)特定基因，不僅其編碼區(qū)高度同源，非編碼區(qū)的內(nèi)含子也高度同源，則該基因很可能是通過水平轉(zhuǎn)移而得到的。Cho等通過Southern雜交技術(shù)對單子葉植物天南星科14屬的Cox1基因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)6個(gè)屬的cox基因中含有1類內(nèi)含子，進(jìn)化樹分析表明這6個(gè)內(nèi)含子是通過水平轉(zhuǎn)移得到的。16Diao等發(fā)現(xiàn)水稻(Oryzasativa)OS493基因與法式狗尾草(Setariafabreii)sf4基因的序列相似性達(dá)到了91%,其中包括兩個(gè)內(nèi)含子部分。水稻和法式狗尾草的進(jìn)化分歧時(shí)間有5000萬年,如此高的內(nèi)含子序列相似性暗示著狗尾草和水稻之間發(fā)生了基因水平轉(zhuǎn)移。17（五）、特殊系列鑒定法

一般情況下，通過各種機(jī)制水平轉(zhuǎn)移的基因往往擁有特定的重復(fù)序列或各種各樣的插入序列等特殊結(jié)構(gòu)，可作為判斷基因水平轉(zhuǎn)移的輔助標(biāo)準(zhǔn)。細(xì)菌中IS（insertedsequence)序列在插入到宿主基因組中時(shí)，一般會使宿主基因產(chǎn)生9-12個(gè)堿基的重復(fù)，真核生物DNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座子插入到新的位點(diǎn)時(shí)，也使宿主基因組產(chǎn)生幾個(gè)堿基的重復(fù)。18在玉米Mutator轉(zhuǎn)座子mudrA基因的開放閱讀框中,存在原核生物的核糖體結(jié)合位點(diǎn)SD(Shine-Dalgarnosequence)元件,Walbot推測這個(gè)轉(zhuǎn)座子很可能是通過基因水平轉(zhuǎn)移從原核生物中轉(zhuǎn)移到植物中的。特殊序列分析法只能在判斷某基因或基因片段是否發(fā)生水平轉(zhuǎn)移時(shí)作為輔助手段,而且其多數(shù)情況下僅適用于原核生物的插入序列和真核生物的轉(zhuǎn)座子。19（六）、核苷酸編碼偏向性分析法

每個(gè)物種使用的密碼子均具有一定的偏向性，通過偏向性在基因之間很穩(wěn)定，從而成為該物種基因構(gòu)成的一個(gè)穩(wěn)定特征通過比較目標(biāo)基因密碼子的組成規(guī)律及其母體基因組密碼子組成規(guī)律的異同，可推測該目標(biāo)基因是否發(fā)生了水平轉(zhuǎn)移。在細(xì)菌基因組中，通過檢測10-20個(gè)蛋白質(zhì)基因的序列，可以建立該菌種密碼子頻率偏向性選擇表。改變一方面反映該菌基因組的GC含量，另一方面說明該菌密碼子編碼的偏向性規(guī)律。20四、基因水平轉(zhuǎn)移方式原核生物中的基因水平轉(zhuǎn)移方式：轉(zhuǎn)化、結(jié)合、轉(zhuǎn)導(dǎo)。真核生物中的基因水平轉(zhuǎn)移方式宿主生物和與其寄生的生物通過相應(yīng)接觸實(shí)現(xiàn)基因水平轉(zhuǎn)移或者借助病毒、細(xì)菌、螨蟲、昆蟲等載體來實(shí)現(xiàn)基因水平的轉(zhuǎn)移。21真核生物中的基因水平轉(zhuǎn)移方式1958年，Takashi通過堿基序列分析，發(fā)現(xiàn)倉鼠的內(nèi)源反轉(zhuǎn)錄病毒IAP編碼的兩個(gè)基因gag和pol的核苷酸序列與倉鼠免疫球蛋白結(jié)合因子基因的核苷酸序列編碼區(qū)相似性高達(dá)72%，推測免疫球蛋白的結(jié)合因子基因是通過一個(gè)病毒起源的雜合基因，表明該病毒基因通過內(nèi)源反轉(zhuǎn)錄病毒IAP的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)移到倉鼠中。22真核生物中的基因水平轉(zhuǎn)移方式1999年，Jordan等報(bào)道了copia反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子從黑腹果蠅中通過水平轉(zhuǎn)移進(jìn)入另一種果蠅中，并且指出寄生蟲、螨蟲和昆蟲病毒可能是發(fā)生了基因水平轉(zhuǎn)移的介質(zhì)。親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的被子植物間通過花粉進(jìn)行的遠(yuǎn)緣雜交來實(shí)現(xiàn)基因水平轉(zhuǎn)移,某些生物通過攝取土壤中裸露的DNA進(jìn)行基因水平轉(zhuǎn)移等。23五、基因水平轉(zhuǎn)移在基因組進(jìn)化中的作用加快基因組的進(jìn)化速度促進(jìn)生物進(jìn)化促進(jìn)同一環(huán)境下物種之間的趨同進(jìn)化不同的生物甚至在進(jìn)化上相距甚遠(yuǎn)的生物，如果它們生活在相同的生態(tài)環(huán)境中可能產(chǎn)生功能相同或相似的形態(tài)結(jié)構(gòu)，來適應(yīng)相同的環(huán)境，這種現(xiàn)象就是趨同進(jìn)化。24

參考文獻(xiàn)李志江，李海權(quán)，刁現(xiàn)民等?；蛩睫D(zhuǎn)移的評判方法和轉(zhuǎn)移方式研究進(jìn)展遺傳學(xué)。HEREDITAS（Beijing)。2008，第9期：1108---1114；科學(xué)出版社。