1-4水平基因转移之谜

6.水平基因转移之谜(1)细菌水平基因转移尽管在许多真核生物中是突变和有性繁殖驱动了遗传创新，对于生命中独特的单细胞领域：古细菌和细菌而言，水平基因转移是获得新性状的一种关键机制。水平基因转移，又称横向基因转移，指不同于常规的由亲代到子代的垂直基因传递，能跨越种间隔离，在亲缘关系或远或近的生物有机体间进行的遗传信息转移.通过将新基因导入现有的基因组，水平基因转移能帮助受体生物绕过通过点突变和重组创造新基因的缓慢过程，从而加速基因组的革新和进化.(2)水平基因转移壁垒2015年3月13日，《基因组生物学》(GenomeBiology学术期刊登载一项最新分子生物学研究，显示人类在远古时代即从周围环境获得必需的基因(生物学上称之为「基因水平转移」 )，而且该研究首次证明基因水平转移会在多种生物的机体间发生。 科学家表示，该研究打破进化论认为的生物完全依赖祖先基因的观点。剑桥大学科学家阿拉斯代尔？克里斯(AlastairCris©说：「这是首次发现基因水平转移在动物及人类中广泛存在，并产生了几十甚至几百个活跃的外来基因。 令人惊讶的是，基因水平转移绝不是罕见的，似乎涉及许多甚至是所有动物，而且现在基因水平转移仍在发生。这说明，我们需要重新分析对进化论的认识。」由此引发了一场争论，其焦点就在于：(i)水平基因转移现象发生的范围到底有多大；(ii)水平转移的基因到底对生物进化产生了多大影响.也就是基因水平转移究竟有没有转移壁垒呢 ？否则不乱了套了！水平基因转移(horizontalgenetransfer,HGT),又称横向基因转移(lateralgenetransfer,LGT),指不同于常规的由亲代到子代的垂直基因传递(verticalgenetransfer,VGT),能跨越种间隔离，在亲缘关系或远或近的生物有机体间进行的遗传信息转移.通过将新基因导入现有的基因组，水平基因转移能帮助受体生物绕过通过点突变和重组创造新基因的缓慢过程，从而加速基因组的革新和进化。达尔文在《物种起源》中基于突变和垂直遗传的假设而推导并提出了 “生命之树”(treeoflife)的概念，自此之后，用简洁分叉的树状图，即生命之树，来描绘生物进化的历程一直是生物学家所追求的目标.然而水平基因转移现象的发现启示我们，生物进化的历程可能远比之前想象的更加错综复杂.一些研究者认为，水平基因转移是生物进化的重要动力，进化历程更应该用“生命之网"(web/netoflife)来描述。争论还在继续，维护“生命之树”的一方坚信，即使水平基因转移确实存在，但是一些核心的基因仍然保留着树的信息，并且可以通过相应的技术手段将其显示出来；而提出“生命之网”的一方，则认为随着“生命之树”概念的动摇，生物进化的一些基本观点和概念也都需要随之进行更正.无论如何，这场争论的焦点就在于：(i)水平基因转移现象发生的范围到底有多大；(ii)水平转移的基因到底对生物进化产生了多大影响.在目前的研究水平下，要准确而完整地对此作出评述是几乎不可能的，但是通过分析发生在不同生物类群中的案例 ，还是可以窥探出水平基因转移对于生物进化影响的一些迹象 ，并从中总结出有意义的规律。

主要参考文献：人类杀不死水熊虫？它的基因组让科学家目瞪口呆导读：世界上最顽强的动物，不是体型庞大的大象，不是不惧严寒的企鹅，也不是出了名打不死的嶂螂 。真正的耐受力冠军是一种萌萌哒的微型生物一一缓步动物(Tardigrades),也叫水熊虫。 这些其貌不扬的小东西，可是地球上最顽强的动物。 这些其貌不扬的小东西,可是地球上最顽强的动物 从巍峨高山到无尽深海，从汩汩热泉到南极冰层，处处都有水熊虫的身影一一甚至连纽约这种城市它们都受得了。它们通过进入一种近乎无敌的状态来应对恶劣的环境：它们不再憨态可掬地爬动，八条腿也蜷缩起来 ，圆乎乎的身体变得干瘪皱缩，排出体内几乎所有水分，进入一种被称为“隐生态”的干壳状态。 它们的新陈代谢几乎停止，就跟死了差不多。而徘徊在死亡边缘的它们，恰恰变得超级难以杀死。在隐生状态下，水熊虫不需要食物也不需要水分。它们能轻而易举地在接近绝对零度或者高达 151摄氏度的环境中生存下来。它们还能忍受深海的巨大压力，耐受剂量足以杀死其他动物的辐射，即便是泡个毒药浴，对它们来说也不在话下。此外，它们是至今唯一暴露在外太空真空环境后还有命讲述这段传奇的动物一一或者说，至少它们有命产下了有活力的卵。一位研究人员告诉我，它们 唯一的弱点就是“不耐机械损伤” ，换句话说：你可以捏死它们。几个世纪前，科学家就知道水熊虫的脱水能力了。但一项新研究显示，这种能力是在以一种奇特又迂回的方式，促进了它们超乎寻常的耐受力。这让它们尤其容易从细菌和其他生物体中吸收外源基因一一这些基因散布在它们的基因组中，比例之大，在动物界闻所未闻为了更好地了解水熊虫的演化，美国北卡罗来纳大学教堂山分校(以下简称“北卡”)的托马斯・布思比( ThomasBoothby)在进行全世界首次水熊虫基因组测序，并发现了这个现象。在700种水熊虫中，容易在实验室环境生长繁殖的寥寥无几 ，他的小组着重研究了其中一种一一Hypsibiusdujardini。一开始，布思比还以为是他的小组没组装好水熊虫的基因组。数据中似乎满是来自细菌和其他生物体的基因，而不像是动物基因。“我们都以为是污染。”他说。也许是微生物混入了样本，导致它们的 DNA掺进了水熊虫的基因组中。但很快，研究小组就发现，这些序列确实属于水熊虫基因组。人类杀不死水熊虫？它的基因组让科学家目瞪口呆婢虫拥有来自细菌的制造抗生素的基因通过脱水，水熊虫反而变成了能吸水的“海绵”一一不过，它吸收的是外源基因 。这对于细菌来说并不罕见，它们交换基因就跟人类收发电子邮件般容易。但人们原本认为，这样的 “基因水平转移(HGT”在动物中非常罕见。很长一段时间，科学家相信这种现象根本不存在，而报告的HG琮例也饱受质疑。最近，越来越多的动物基因水平转移的例子开始出现。蟀虫拥有来自细菌的制造抗生素的基因；朗虫从真菌那儿偷来了显色基因；黄蜂把病毒基因化为自己的生物武器；粉蛤壳虫利用多种微生物基因来改善伙食(译者注：粉蛤利用外源基因为自己制造重要的营养物质，如氨基酸)；一种能造成咖啡植株虫害的甲虫， 靠的也是从细菌那儿借来的基因； 还有些果蝇整合了完整的细菌基因组。 还有一类被形象地称为“空间侵略者(SpaceInvaders)”的基因，不断地在蜥蜴、蛙类、啮齿类以及其他动物间转移。但大部分情况下，转移的只是一两个基因。 外源基因至多只占基因组的1%左右。但布思比发现，水熊虫基因组内的外源基因含量高达 17.5%通一占据了基因组的六分之一。这些外源基因中，超过90%来自细菌，还有些来自古菌(古菌属于微生物分类学中一个独立的分支)、真菌，甚至还有植物。“这个数字非常惊人。”他说。类似的说辞曾被人证伪过，所以小组人员格外小心地确认了这些确实是外源序列。首先，他们用 PacBio平台一一一种可以直接测序单分子 DNA而不需事先将其打断的测序系统一一重新测序了基因组。这证实了外源基因确实连接在水熊虫自身的基因组上。它们 都来自于同一条DNA链，也就是说不可能源于其他微生物污染。 这些外源基因还获取了一些典型的动物基因特征， 就好像在它们细菌基因的本质之外， 抹上了一层动物特色。爱荷华大学的约翰・罗思登(JohnLogsdon),一位研究基因进化的学者，认为结果很可靠。“这是一篇非常有趣又有说服力的论文。”他说。那么，这些基因起初是怎么进入水熊虫基因组的呢？布思比认为，答案就隐藏在水熊虫的三个怪诞的生物学特性中。 首先，它让］育日脱水，在这一过程中，它们的DN砌子会自然地断裂成小段；其次，它们能通过吸水重获新生，在这个过程中，它们细胞变得千疮百孔，因而能够从环境中吸收包括 DNA&内的各种分子；最后，它们非常擅长修复 DNA修补脱水造成的损伤。它们非常擅长修复DNA修补脱水造成的损伤“所以，我们认为水熊虫在脱水时， DNA会和环境中的细菌及其他生物体的 DNA-起断裂。”布思比解释道， “这些分子在它们吸水时进入细胞。而当水熊虫将自己基因组连接到一起的时候，可能不小心把细菌基因也连了进来。”这些基因有功能吗？目前，研究小组发现水熊虫启动了一些借来的基因，在其他生物体中， 这些基因与对抗环境压力相关。 这是一项令人兴趣盎然的发现：这说明，它们传奇般的耐受能力可能至少有一部分得归功于细菌馈赠的基因。研究者还计划逐步灭活水熊虫的外源基因，看它们是否会失去那传奇般的无敌能力。斯图加特大学的拉尔夫・希尔(RalphSchill)还指出，Hypsibiusdujardini 不过是缓步动物家族的废柴 事实上，它们并不那么擅长抵抗干旱环境。也许那些比它们更胜一筹，在极端寒冷、极端炎热、开放真空环境中都面不改色的亲戚的基因组中隐藏着更不可思议的秘密。然而，仅仅一周后，北卡研究组的这些观点就受到动摇了。 另一来自爱丁堡大学的研究小组也对同一供应商供应的同种水熊虫进行了基因组测序，他们的预印论文公开的研究结果却大相径庭：他们只找到了极少量的水平转移基因一一少至仅仅 36个，最多也就500个。他们认为，北卡小组测序了同水熊虫一起生活的细菌的DNA尽管他们已经尽力了，但还是误将这些基因当做了水熊虫的基因。杀不死的水熊虫之所以会出现这样的争论，是因为到目前为止，科学家还没有能够连续测序基因组的技术，所以他们得将 DNA丁碎，再测序这些DNA片段，并将这些测序片段(read)组装成连续的完整基因组。在这个过程中，动物的各个基因的测序片段的数量应该是差不多的。但爱丁堡小组在检查自己的数据时，发现有些测序片段数量尤其罕见，而另一些测序片段的数量却高达它们的 10倍。“从生物学上来看，这些片段不可能来自同一基因组。”团队领头人马克・布拉克斯特(MarkBlaxter)说。事实上，这些罕见的测序片段很可能来自藏匿在水熊虫身边的细菌。研究小组仔细地清理了他们的数据，除去了这些污染序列。最终，水熊虫基因组中还剩下约 500个可能来自于微生物的基因，但他们仍然认为其中大部分都是污染，只是暂时尚未排除。只有 36个基因有确凿证据证明它们是从细菌基因组中水平转移而来的一一对于动物基因组，这个数目在正常范围内。而当爱丁堡小组还在进行数据优化的时候， 北卡小组的论文就发出来了一一声称水熊虫基因组中有 6600个水平转移基因。他们极为震惊，但还是立刻分析了由北卡小组的鲍勃・高德斯坦( BobGoldstein)迅速上传到服务器的数据。令人担忧的是，他们发现北卡的数据包含了很多他们没见过的测序片段一一可他们测序的是同一种动物啊！ 而这些神出鬼没的测序片段大部分都很罕见。基于这点，爱丁堡小组认为北卡小组组装的基因组中有大概 30麻自微生物污染。

“如果真是如此，那他们就糟了。”蒙塔纳大学的约翰・麦卡钦（作都非常小心，我觉得他们不会漏掉这种情况（微生物污染）。”JohnMcCutcheon）说，“但这也很让人惊讶，因为（北卡小组的）大部分工这些神出鬼没的测序片段大部分都很罕见比如说，北卡小组重点研究了他们组装的基因组的107JohnMcCutcheon）说，“但这也很让人惊讶，因为（北卡小组的）大部分工些基因对的末端开始，复制其间的所有DNA如果这种技术奏效一一大部分也确实奏效了一一那就说明两个基因确实是连在同一条 DNA链上的,也就是说，源于细菌的基因不可能是污染导致的（译者注：北卡小组在组装好的基因组中，挑选了107个包含外源基因和动物基因，或是包含两个外源基因的片段作为目标序列进行 PCR，获得了104个大小吻合的扩增产物）。此外，这 107个基因中有 54个都在爱丁堡小组列出的疑似水平在很大程度上，这个问题取决于对那堡小组则不以为然。6600个被认定是自细菌转移来的基因而言，这107个基因对到底有没有代表性。北卡小组认为如此；爱丁亚历桑那大学的大卫・巴尔特鲁斯（在挑选这组随机基因对时，有所偏颇了。”DavidBaltrus）和两个小组均无瓜葛，他说：“我的直觉告诉我，北卡的论文作者——也许并非有意——在很大程度上，这个问题取决于对那堡小组则不以为然。6600个被认定是自细菌转移来的基因而言，这107个基因对到底有没有代表性。北卡小组认为如此；爱丁亚历桑那大学的大卫・巴尔特鲁斯（在挑选这组随机基因对时，有所偏颇了。”DavidBaltrus）和两个小组均无瓜葛，他说：“我的直觉告诉我，北卡的论文作者——也许并非有意——“我的直觉告诉我，北卡的论文作者一一也许并非有意“我想相信广泛的基因水平转移真的发生了,因为这会是个超棒的研究。”巴尔特鲁斯说,“但问题是，超凡的论点需要超凡的证据支持。”北卡小组的观点遭到质疑还有其他原因。他们估计水熊虫的基因组包含2亿5千万个碱基。爱丁堡小组一开始也这么想，但除去潜在细菌污染后，他们获得了一个小得多的基因组——仅包含1亿3千5百万个碱基。这与其他科学家根据动物细胞大小估计的基因组大小要接近得多。对此，麦卡钦说，测序其他水熊虫的基因组会有所帮助。如果这些被断定是水平转移的基因也存在于其他种的水熊虫基因组内，“那将是非常有力的证据。与此同时，爱丁堡小组的苏杰・库玛（SujaiKumar）表示：“整个事件就是开放科学的一次胜利。”要不是北卡小组自愿而迅速地公开了他们的数据，他的同事们也没法完成分析。即便只是在短短数年前，他们也根本没地方上传论文原稿，也就没法详细阐述相互矛盾的结果来供其他科学家阅读和讨论——而现在，第二篇论文的发表时间与第一篇论文只差九天。“科学超凡的迅速自我更正的新能力显露无疑。”布拉克斯特说，“几十年前，要耗费数月才能理清的问题，如今瞬间就成了全球杰出科学家的关注焦点，他们能够提出问题、要求作者上传数据、推测可能的新生物学理论，并集体确保科学建立在经过验证的推理之上。”关于基因横向转移的有趣例子[讨论]作者:billy点击:26评分:02010-十月-2506:35下午关于基因横向转移的有趣例子前几天听了个讲座，很有意思。主讲人研究的是一种病毒对毛虫的侵染，对毛虫行为的影响。简言之，这种病毒被毛虫吃下去后，会利用毛虫的细胞核复制，并且使得毛虫的肌肉蛋白溶解，最后就化成一滩脓水，灰常犀利。而且最狠的是，毛虫吃下病毒后，会产生典型的被控行为，即不断爬高，一直爬到植物的最顶端，然后直立身体，僵死在那里。这这种行为有助于其被鸟类发现，然后被吃掉，从而有助于此类病毒的传播。他们已经识别了并克隆一个病毒的关键基因，名字忘了，暂时叫它 G1。敲除G1,毛虫虽也会死亡，但上述被控爬高行为会消失。也就是说，这个G1基因，编码了某种控制毛虫行为的秘密。更为有趣的是，通过同源性分析，他们发现病毒的G1基因，在毛虫基因组上居然存在同源基因，暂时叫它G2而且同源性非常高，但目前功能不明。目前的猜测是：此G1基因，最早是在病毒基因组上演化而来，后来由于毛虫食用带病毒的树叶，大量摄入病毒，此基因横向转移并整合于毛虫基因组上。目前研究者猜测此种G2基因，在毛虫被病毒感染和行为控制的过程中，也起到了关键作用。这就好像病毒中了一个木马在毛虫体内，里应外合，玩毛虫于股掌之间。当然目前这只是推测，但同时表明，自然条件下基因横向转移，在低等动物之间，是非常普遍的。比如微藻与细菌间就存在大量的互相交换基因（/biology/postgenomics/402655.shtml ）另外最近研究基因横向转移的技术也日益成熟（/biology/Class18/366979.shtml ）前几天讨论到转基因的时候，有朋友说实验室内向生物体内转入外源基因的成功率只有几十万分之一 。本兔虽是生信专业，但本行是计算机技术，至今没下过实验室，实验层面的东西说不清。但那位朋友所说的实验技术，以下援引：“在实验室里向细胞引入特定外源基因到底是什么几率 （数据肯定不是非常精确,懂行的不要嘲笑 ）:lotsofpuregenecopies+millonsofcells=几十万分之一的成功几率 ,这还得用特殊的buffer（平时细胞生活的环境成功率再降几个数量级）,用特定的载体（人工合成,增加各种成功几率，不用根本没辙 ）,用特定的手段 （要么是1500+伏的短暂电击 ,要么是能在细胞膜上钻孔的buffer”以本兔所知，目前的转基因技术，关键都在于 vector(载体的选择)，而载体一般都是用 特异性转座子。如下文所示：转座子在哺乳动物间的横向转移h:8080/kxtb/CN/column/item260.shtml )特异性转座子是指对某种生物基因组有高度侵染率的转座子， 待转基因一般会被事先整合在此转座子之上， 其后转入宿主基因组的成功率是相当高的。目前的转基因技术，应该都是基于此。也就是说，转入生物体内的基因， 是有很好和很稳定的遗传性的。那么此外源基因，会不会通过自然接触和食物摄入，转入人体基因组呢，比如上述哺乳动物转座子引入的外源基因，此转座子对人类的侵染性能否被排除？转基因安全，确实是值得研究的课题，而不是某些人所说的，是无知者的担忧。本兔不知道为什么，一讨论到对转基因技术的隐忧，总会有某些人跳出来，以叫兽的姿态给大家上课。好像所有对转基因持保留态度的人，就一定是受了媒体的蛊惑，或者干脆是根本没知识。生物技术不像一般的民科，需要比较多的背景知识储备，这大概也是很难在科版这样定位的地方，在科学层面上讨论的原因。但是秉承科学的态度，此话题又正是大家概念模糊所在，所以本兔很想多说几句， always欢迎纯学术的正反意见。原核生物进化新学说2011日一项新研究成果向传统的微生物进化论提出了挑战，研究人员在论文中提出 原核生物中蛋白质进化的首要推动力并非基因重复，而主要是通过不断从其他的微生物处获得基因而取得进化的。相关研究成果发表在1月27日的《科学公共图书馆•遗传学》(PLoSGenetics)杂志上，这一研究成果或将改变科学家们研究模型生物学网络和蛋白质进化的方向。“在去年夏季的大会上，科学家们就细菌基因组扩大主要是通过基因重复还是由于基因获取提出了争议， ”耶鲁大学进化生物学家HowardOchma懒道：“现在手边的这篇论文为这个问题做出了最好的解答。”由于具有迅速修饰自身蛋白质成分的能力，原核生物(包括细菌和古生菌)在各种条件下均能旺盛地生长。原核生物的这种能力主要通过两种方式获得：第一种是通过从其他原核生物处获取基因即所谓的水平基因转移，这也是 细菌对抗生素产生耐受的一种重要机制 ；第二种则是通过基因重复，通过重复拷贝已存在的基因，以 突变累积的方式获取新的或加强的功能 。郑：实际上，两者是一个机制“业报”，重复拷贝已存在的基因是业的积聚，死后转为”外来“的基因投胎到下世。在过去的研究中科学家们针对少量的、 关系较远的基因组进行分析并推测平行基因转移最多导致了 25%勺蛋白质家族扩增，生成了具有新功能或新结构的蛋白质。近期法国巴斯德研究所的研究人员 ToddTreangen和EduardoRocha利用大量、紧密相关的原核生物基因进行了精密检测，确定了原核生物蛋白质进化的主要推动力。“我们针对基因组数据开展了更深入的研究，”现在马里兰大学就读博士后的 Treangen说。ToddTreangen和EduardoRocha针对来自原核生物8大进化枝的110个基因组展开了分析，集中研究了3190个确定的蛋白质家族。研究结果表明80-90%的蛋白质家族均是通过平行基因转移进行扩增。 此外，研究人员还证实平行基因转移和基因重复这两种生物过程在进化中发挥着不同的作用：平行转移基因可以长久地存在于种群中，而重复基因则是短暂而广泛地进行表达。“研究结果表明过去科学家们低估了基因转移在蛋白质多样化中的作用， ”Treangen说。不过Treangen同时表示他们目前仅针对的存在于全世界的一小部分微生物，随着不断获得更多的基因组进一步的研究工作将继续开展下去。“这对于在真核生物中针对这两个过程开展研究亦具有重要的意义， ”英属哥伦比亚大学的分子进化生物学家 PatrickKeeling说道：“尽管目前已有大量关于真核生物平行基因转移的报道，但由于缺乏紧密相关的真核生物的基因组数据，开展相关检测仍颇为困难。新研究结果让我们不禁产生了一些兴趣和关注是否真核生物也是以同样的方式而取得进化的。”人体含大量外来基因进化论被再次否定科学研究已与进化论脱节来源：科学探索网/作者：/2015-12-28分子生物学研究证实，DNA等生物分子无法通过进化论所假设的方式形成有生命功能的极其复杂的结构。最新分子生物学成果显示，人类在远古时代从周围环境获得必需的基因，打破进化论认为的生物完全依赖祖先基因的观点。根据英国《每日邮报》近日的报导，《基因组生物学》(GenomeBiology)科学期刊发布研究，人类在远古时代，从周围生活环境的微生物中获得必需的145个外源基因组，这种现象在分子生物学上称为基因水平转移(HGT。首次证明生物界普遍存在基因水平转移研究发现，人类确认有 17个以前发现的基因以及 128个新发现的基因，是通过基因水平转移而从外部进入机体。研究还分析了12种果蝇、4种线虫和9种动物的基因组，评估哪些基因源自外来基因。科学家表示，这是首次证明基因水平转移会在多种生物甚至人类的机体发生，也证明基因水平转移不局限在微生物，许多甚至全部生物都存在这种现象，因此我们应该改变对进化论的看法。剑桥大学科学家阿拉斯代尔・克里斯（AlastairCrisp）说：「这是首次发现，基因水平转移在动物及人类中广泛存在，并产生了几十甚至几百个活跃的外来基因。令人惊讶的是，基因水平转移绝不是罕见的，似乎涉及许多甚至是所有动物，而且现在基因水平转移仍在发生。这说明，我们需要重新分析对进化论的认识」。进化论被进一步否定早在2001年，人类基因组测序的时候，即发现人类存在的基因水平转移现象。2001年的《自然》杂志说：“人类基因组中有 113个基因和细菌（原核细胞）的高度近似，提示可能是细菌的同源基