基因水平轉(zhuǎn)移
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水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer, HGT），又稱側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（lateral gene transfer, LGT），是指在差異生物個(gè)體之間，或單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞器之間所進(jìn)行的遺傳物質(zhì)的交流。差異生物個(gè)體可以是同種但含有不同的遺傳信息的生物個(gè)體，也可以是遠(yuǎn)緣的，甚至沒(méi)有親緣關(guān)系的生物個(gè)體。單個(gè)細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞器主要指的是葉綠體、線粒體及細(xì)胞核。水平基因轉(zhuǎn)移是相對(duì)于垂直基因轉(zhuǎn)移（親代傳遞給子代）而提出的，它打破了親緣關(guān)系的界限，使基因流動(dòng)的可能變得更為復(fù)雜。
1959年，一系列的文章報(bào)道了大腸桿菌（Escherichia coli）的高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（Hfr）菌株可以將遺傳信息傳遞給特定的鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）突變菌株。同年，Tomochiro Akiba和Kunitaro Ochiai發(fā)現(xiàn)病原菌中的抗性質(zhì)粒，而這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了攜帶抗性的質(zhì)?？梢栽诓煌N間轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，這實(shí)際上就宣告了野生型菌株間存在著水平基因轉(zhuǎn)移。然而，水平基因轉(zhuǎn)移作為一種概念，并不是一開(kāi)始就伴隨著其現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而出現(xiàn)的。直到20世紀(jì)90年代，由于下列原因，人們才逐步使用水平基因轉(zhuǎn)移的概念來(lái)解釋所遇到的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并形成研究熱點(diǎn)。
基因工程生物，特別是基因工程微生物（gene engineered organisms, GEOs, or gene engineered microorganisms, GEMs）的應(yīng)用，及被釋放到環(huán)境中后的安全性問(wèn)題。抗藥性病原菌的大量出現(xiàn)，許多藥物，特別是抗生素已經(jīng)不能抑制或殺死原來(lái)敏感的病原菌，這已不僅僅是基因突變可解釋的，可能與抗藥性基因的水平轉(zhuǎn)移有關(guān)。已發(fā)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)移不僅僅是發(fā)生在細(xì)菌之間，而且也發(fā)生在細(xì)菌與高等生物之間，甚至是高等生物之間。
1 由質(zhì)粒或病毒等介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移
質(zhì)粒和病毒是在各生物間進(jìn)行遺傳物質(zhì)傳遞的重要媒介。細(xì)菌中以F質(zhì)粒為媒介的接合作用和以病毒（噬菌體）為媒介的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用是最普通的水平基因轉(zhuǎn)移，而且這種轉(zhuǎn)移還不只是發(fā)生在細(xì)菌之間，還發(fā)生在細(xì)菌與高等生物之間，例如在土壤微生物中，存在于根癌土壤桿菌（Agrobacterium tumefaciens）中的200kb Ti質(zhì)粒上的T-DNA基因片段可整合進(jìn)植物細(xì)胞的基因組中。即：根癌土壤桿菌中的T-DNA可轉(zhuǎn)移到植物細(xì)胞核內(nèi)。T-DNA還可以攜帶一定的外源基因，在植物基因工程中被廣泛地用做基因轉(zhuǎn)移載體［8］。此外，Ri質(zhì)粒也可以協(xié)助遺傳物質(zhì)在細(xì)菌與植物間進(jìn)行水平基因轉(zhuǎn)移。
有關(guān)細(xì)菌與動(dòng)物細(xì)胞間的水平基因轉(zhuǎn)移，在1991年，F(xiàn)alkow綜合論述了有些特定的細(xì)菌屬可以入侵哺乳動(dòng)物細(xì)胞的詳細(xì)情況。Patrice Courvalin研究表明，弗氏志賀菌（Shigella flexneri）及E. coli的入侵型菌株以攜帶質(zhì)粒進(jìn)入哺乳動(dòng)物細(xì)胞，質(zhì)粒并可以整合進(jìn)基因組中穩(wěn)定地在子代細(xì)胞中表達(dá)。
2 基因的“直接”水平轉(zhuǎn)移
水平基因轉(zhuǎn)移除了通過(guò)質(zhì)粒和病毒為媒介以外，目前大量發(fā)現(xiàn)的是不需要媒介的“直接”轉(zhuǎn)移。1996年，Baur發(fā)現(xiàn)在從自然環(huán)境中采集的含一定離子的天然水樣中，大腸桿菌可通過(guò)其內(nèi)在調(diào)節(jié)機(jī)制建立自然感受態(tài)［12］。能夠在自然環(huán)境中“直接”攝取外源DNA，這對(duì)原本認(rèn)為大腸桿菌是不能建立自然感受態(tài)的傳統(tǒng)概念是一種挑戰(zhàn)。此外，枯草芽孢桿菌建立自然感受態(tài)的能力也早已得到人們的肯定，其基因組上有10多個(gè)基因與感受態(tài)的建立有關(guān)。隨著環(huán)境中具有轉(zhuǎn)化活性的DNA分子及感受態(tài)細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)，自然轉(zhuǎn)化在水平基因轉(zhuǎn)移中的作用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。所謂自然遺傳轉(zhuǎn)化是不需要任何媒介的“裸露”DNA分子與自然感受態(tài)細(xì)胞間相互作用的一種基因轉(zhuǎn)移方式，可以發(fā)生在細(xì)菌之間，也可以發(fā)生在細(xì)菌與其它真核生物之間。因?yàn)樽匀贿z傳轉(zhuǎn)化不需要致育質(zhì)粒和噬菌體作為媒介，甚至不受時(shí)空的限制，可以發(fā)生在不同的生物之間，所以被認(rèn)為很可能是水平基因轉(zhuǎn)移的重要途徑。在這一途徑中，一種新的現(xiàn)象已引起人們的極大興趣，即細(xì)菌細(xì)胞能主動(dòng)分泌DNA到環(huán)境中，并具有轉(zhuǎn)化活性，這不僅對(duì)傳統(tǒng)的不涉及供體的自然轉(zhuǎn)化概念提出了新的挑戰(zhàn)，而且也為水平基因轉(zhuǎn)移的深入研究提供了新的內(nèi)容。特別近來(lái)有報(bào)道表明，細(xì)菌在逆境條件下形成生物膜（biofilm）的機(jī)制與細(xì)菌分泌到胞外的DNA密切相關(guān)，更引起人們廣泛的關(guān)注。
由前可知，無(wú)論是在正常條件下，還是在逆境條件下，尤其是后者，細(xì)菌主動(dòng)分泌DNA到環(huán)境中和從環(huán)境中攝取DNA都得到了有力的證明。如果能夠在逆境條件下，找到細(xì)菌主動(dòng)分泌及攝取DNA的結(jié)合點(diǎn)，有利于進(jìn)一步揭示水平基因轉(zhuǎn)移的機(jī)理。
3 基因組序列分析和水平基因轉(zhuǎn)移
隨著基因工程的深入開(kāi)展，人類及其它生物基因組測(cè)序工作相繼完成，人們發(fā)現(xiàn)不同物種之間，甚至親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的生物之間基因組上有大量同源基因存在。
在三域系統(tǒng)的基因組相互比對(duì)中，發(fā)現(xiàn)大量存在水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。海棲熱袍菌MSB8（Thermotoga maritima MSB8）是一種屬于細(xì)菌域的嗜熱細(xì)菌，在其基因組中含有1872個(gè)預(yù)測(cè)的編碼區(qū)，其中有1014個(gè)（54%）功能已知。在與古生菌的比對(duì)中，發(fā)現(xiàn)有24%的基因與古生菌基因相近，即有近1/4的基因來(lái)源于古生菌，成為古菌與細(xì)菌之間進(jìn)行側(cè)向基因轉(zhuǎn)移的有力證據(jù)。
細(xì)菌基因組上含有來(lái)自高等生物的基因也有不少報(bào)道。如耐放射異常球菌（Deinococcus radiodurans）含有幾個(gè)只有在植物中才有的基因；結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）的基因組上至少含有8個(gè)來(lái)自人類的基因，而且這些基因編碼的蛋白質(zhì)能幫助細(xì)菌逃避宿主的防御系統(tǒng)，顯然這是結(jié)核分枝桿菌通過(guò)某種方式從宿主那兒獲得了這些基因?yàn)樽约旱纳娣?wù)。
人類基因組測(cè)序工作的完成也進(jìn)一步證實(shí)了水平基因轉(zhuǎn)移的普遍性和遠(yuǎn)緣性。在人類基因組上已發(fā)現(xiàn)了223個(gè)來(lái)源于細(xì)菌的基因，這些基因無(wú)疑是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移機(jī)制獲得的［21］。但在基因轉(zhuǎn)移的時(shí)間上，目前還存在爭(zhēng)議。
除了基因組比對(duì)外，人們還對(duì)部分蛋白質(zhì)序列做了比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)有許多水平基因轉(zhuǎn)移存在的證據(jù)。在細(xì)胞色素c的序列比對(duì)中認(rèn)為長(zhǎng)須銀柴胡（Stellaria longipes）和鼠耳芥（Arabidopsis thaliana）很有可能與噬菌體之間發(fā)生過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移［23］。銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中類似真核的磷酸脂酶D（PLDS）的遺傳學(xué)和生化分析指出，編碼該酶的基因pldA是通過(guò)來(lái)自真核的水平基因轉(zhuǎn)移獲得的。
4 水平基因轉(zhuǎn)移與進(jìn)化
由前可知，水平基因轉(zhuǎn)移實(shí)際上已被引入了分子進(jìn)化及宏觀進(jìn)化領(lǐng)域，被認(rèn)為是推動(dòng)進(jìn)化的重要?jiǎng)恿?。在這個(gè)意義上，水平基因轉(zhuǎn)移不僅僅是一個(gè)基因轉(zhuǎn)移的過(guò)程，實(shí)際上它是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過(guò)程。Jonathan將此大致分為6個(gè)步驟。首先要被轉(zhuǎn)移的遺傳物質(zhì)在供體中進(jìn)化。當(dāng)達(dá)到某一點(diǎn)時(shí)，遺傳物質(zhì)通過(guò)載體（如病毒）或者直接（如接合）或者間接（如轉(zhuǎn)化）地進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這些遺傳物質(zhì)必須獲取能夠在受體中長(zhǎng)期存在的形式。不同的轉(zhuǎn)移和存留方式?jīng)Q定了不同的水平基因轉(zhuǎn)移類型。被受體接受的遺傳物質(zhì)在受體群落中廣泛傳播，即使這些遺傳物質(zhì)的傳播是符合中性法則的，但是自然選擇的壓力會(huì)有可能促進(jìn)這一傳播過(guò)程（如抗生素抗性的選擇）。而這一過(guò)程對(duì)供體和受體的進(jìn)化都具有影響，最終有可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)的品系，這被稱之為“改良（amelioration）”過(guò)程。
這一過(guò)程實(shí)際上是漫長(zhǎng)而復(fù)雜的。這種基因轉(zhuǎn)移到底發(fā)生在什么時(shí)候，目前有兩種觀點(diǎn)。一種認(rèn)為水平基因轉(zhuǎn)移發(fā)生在遠(yuǎn)古時(shí)候的早期生命，即單一的共同細(xì)胞祖先產(chǎn)生了所有的現(xiàn)代生物；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，除了早期生命在進(jìn)化過(guò)程中進(jìn)行了大量水平基因轉(zhuǎn)移外，現(xiàn)在的生命，即在物種形成清晰的譜系之后仍能毫無(wú)困難地交換基因。水平基因轉(zhuǎn)移在歷史上的大量證據(jù)，使人們有必要對(duì)生物進(jìn)化理論進(jìn)行重新審視。Doolittle認(rèn)為許多原本在生物進(jìn)化理論中基礎(chǔ)的概念都需要經(jīng)過(guò)重新審視。傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單分支的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)不能成為表現(xiàn)眾多生物親緣關(guān)系的最佳方式，而網(wǎng)絡(luò)性的或類網(wǎng)狀的系統(tǒng)發(fā)育模式才能給予它們恰當(dāng)?shù)拿枋?。同時(shí)，水平基因轉(zhuǎn)移在微生物進(jìn)化中還是被認(rèn)為是一種重要的推動(dòng)力量。
隨著轉(zhuǎn)基因生物的商業(yè)化過(guò)程，轉(zhuǎn)基因工程的生物安全性逐步受到人們的重視。有研究認(rèn)為距今20億年至10億年間，發(fā)生了大量水平基因轉(zhuǎn)移的事實(shí)。假設(shè)這是正確的話，在人為介入水平基因轉(zhuǎn)移之后，大量穿梭載體及特異人工遺傳物質(zhì)的出現(xiàn)并釋放到實(shí)驗(yàn)室之外后，是否會(huì)出現(xiàn)水平基因轉(zhuǎn)移的第二次大爆發(fā)呢？
在距今20億年至10億年間，三域生物之間發(fā)生了大量的水平基因轉(zhuǎn)移事件。認(rèn)為現(xiàn)代真核生物的核(nu)來(lái)自于古細(xì)菌，線粒體(mi)和葉綠體(ch)來(lái)自真細(xì)菌。同時(shí)還發(fā)生了許多其它對(duì)現(xiàn)代生物影響深遠(yuǎn)的水平基因轉(zhuǎn)移事件(源自Michael Syvanen, 2002)。
近年來(lái),發(fā)現(xiàn)自然環(huán)境中存在大量具有轉(zhuǎn)化活性的DNA分子以及能主動(dòng)攝取外源DNA的感受態(tài)細(xì)胞，使得人們對(duì)環(huán)境中發(fā)生的水平基因轉(zhuǎn)移有了新的認(rèn)識(shí)，也必然引起人們對(duì)GEMs使用安全性的更深層次的思考。如果說(shuō)自然環(huán)境微生物之間遺傳物質(zhì)的交流是一種正常的生態(tài)平衡系統(tǒng)，或者說(shuō)是一種極其緩慢的優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過(guò)程，那么為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，甚至革新整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面貌，或治理環(huán)境污染，或其它方面的應(yīng)用，人為地向環(huán)境中加入大量的人工構(gòu)建的GEMs或其它的GEOs，也許是一種加速進(jìn)化的“人工進(jìn)化”過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的結(jié)果是喜是憂？還是二者兼有？目前仍是未解決的問(wèn)題，也是頗具爭(zhēng)議的問(wèn)題。水平基因轉(zhuǎn)移及其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)的深入研究，將有助于對(duì)GEOs做出新的評(píng)價(jià)，使得基因工程技術(shù)及轉(zhuǎn)基因生物的應(yīng)用發(fā)揮更輝煌的作用。
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