第七章

微生物基因水平轉(zhuǎn)移課時：4學(xué)時

授課方式：講授＋討論開課時間：2014年秋季學(xué)期主要內(nèi)容細(xì)菌可移動遺傳元件水平基因轉(zhuǎn)移生物進(jìn)化意義水平基因轉(zhuǎn)移障礙水平基因轉(zhuǎn)移方式及機制水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域意義第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件細(xì)菌的可移動遺傳元件分為核心基因庫和易變基因庫核心基因庫：位于染色體DNA上，大部分編碼負(fù)責(zé)細(xì)胞基本功能的蛋白質(zhì)易變基因庫DNA具有移動元件的特征細(xì)菌的可移動遺傳元件：噬菌體、質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座因子、整合子、基因島第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件質(zhì)粒質(zhì)粒細(xì)菌中能自我復(fù)制的染色體外DNA遺傳元件質(zhì)粒與染色體DNA質(zhì)粒為最常用水平基因轉(zhuǎn)移工具分為接合型質(zhì)粒和非接合型質(zhì)粒第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件噬菌體的基因轉(zhuǎn)移元件其基因轉(zhuǎn)移對于細(xì)菌的生長繁殖及進(jìn)化過程有重要的作用噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等細(xì)菌病毒總稱，具有病毒特有的一些特性：個體微??；不具完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)；只含單一核酸第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件轉(zhuǎn)座因子(transportelement,TE)DNA分子具有轉(zhuǎn)座因子，幫助DNA分子在位點之間轉(zhuǎn)移不具有自我復(fù)制功能，但是它們具有可復(fù)制插入后的宿主DNA插入寄主DNA后，導(dǎo)致基因失活

插入時在靶DNA位點產(chǎn)生一個短的同向重復(fù)順序DNA轉(zhuǎn)座子(DNAtransponson)，存在于原核生物和真核生物。轉(zhuǎn)座過程從DNA→DNARNA轉(zhuǎn)座子(RNAtransponson)，存在于真核生物。轉(zhuǎn)座過程是以RNA為中間體，從DNA→RNA→cDNA→DNA類型第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件插入序列

(Insertionsequence,IS)最簡單的轉(zhuǎn)座因子，可獨立存在，也可以作為其它轉(zhuǎn)座因子的一部分存在于某些細(xì)菌特點在IS兩端含有長度為10-40bp的反向重復(fù)序列，反向重復(fù)序列在IS的切割和DNA鏈轉(zhuǎn)移中起作用大多數(shù)IS含有一個編碼轉(zhuǎn)座酶的長編碼區(qū)。轉(zhuǎn)座酶負(fù)責(zé)識別切割轉(zhuǎn)座子的兩端及靶位點的切口IS插入時，在靶位點產(chǎn)生短的同向重復(fù)序列，分布在IS的兩側(cè)第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件復(fù)雜轉(zhuǎn)座子(complextransposon)兩端是短(30-40bp)的末端反向復(fù)雜序列(IR)或同向重復(fù)序列(DR)，中央是轉(zhuǎn)座酶基因和抗藥性基因接合型轉(zhuǎn)座子(conjugativetransposon)通過接合作用轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)座子，末端沒有重復(fù)序列，但含有整合酶基因、切離酶基因、接合型轉(zhuǎn)移基因及抗生素基因接合型轉(zhuǎn)座子綜合轉(zhuǎn)座子、質(zhì)粒、噬菌體的特征，是真正的基因轉(zhuǎn)移因子，能引起抗性基因在許多重要細(xì)菌中的擴散第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件Mu噬菌體(mutatorphage)Mu噬菌體不同于一般的溫和噬菌體MuDNA幾乎可插入到宿主染色體上任何一個位點上MuDNA的兩端沒有黏性末端，插入到基因中引起該基因的突變優(yōu)勢易于識別，不是細(xì)菌基因組正常組分可經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生，易于制備第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件整合子(integron)

運動性DNA分子，可捕獲和整合外源性基因，使之轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄曰虻谋磉_(dá)單位整合子會轉(zhuǎn)移抗性基因，如圖addB基因?qū)儆赼ad基因家族(編碼氨基酸甘轉(zhuǎn)移酶，作用于不同的氨基糖苷類抗生素，使其鈍化，介導(dǎo)耐藥性)

aadB主要介導(dǎo)慶大霉素等基因盒(genecassette)能夠被整合到整合子上或是整合子上切除的移動元件基因盒-整合子系統(tǒng)是細(xì)菌基因組中的基因克隆和表達(dá)單位，能攜帶位點特異性重組系統(tǒng)組分，形成多種耐藥基因的組合、排列使受體菌獲得新的生物學(xué)性狀，以及微生物新種的形成第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件基因組島(genomicisland，GI)染色體上可移動遺傳元件，通過水平基因轉(zhuǎn)移而獲得的外源DNA片段位于細(xì)菌染色體；大小不一(10-200kb)；兩端具有重復(fù)序列；攜帶插入序列元件(IS)及整合酶基因(int1)等其他可移動遺傳元件第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件

基因組島（例：細(xì)菌水平基因轉(zhuǎn)移與進(jìn)化的工具）細(xì)菌通過變異、重組和水平基因轉(zhuǎn)移進(jìn)行進(jìn)化除了核心基因編碼必要的代謝功能，基因組同時擁有大量附屬基因。這些基因可通過水平基因轉(zhuǎn)移獲得，細(xì)菌受益于這些基因水平基因轉(zhuǎn)移由基因島（genomic

islands,

GEIs）協(xié)助實現(xiàn)GEIs分泌DNA片段，可移動或不可移動，取決于相關(guān)的菌體大量GEIs能夠整合進(jìn)入宿主并通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)導(dǎo)進(jìn)入新宿主GEIs決定了細(xì)菌的大部分進(jìn)化，因為它們參與散播基因，包括抗性基因、病毒基因以及形成新代謝路徑的代謝基因取決于基因模塊的組成，同一種GEIs可促進(jìn)不同類型微生物的進(jìn)化，例如致病菌和環(huán)境微生物第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件

基因組島（例：細(xì)菌水平基因轉(zhuǎn)移與進(jìn)化的工具）FEMS

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376–393GEI總體特性圖GEIs是一段大的DNA片段，核酸特性不同于其他染色體。GEI通常插入于tRNA基因，靠近DR酶GEIs有與基因遷移相關(guān)的編碼子，例如整合酶,轉(zhuǎn)座酶和插入序列。根據(jù)基因含量，GEIs被稱為致病性島、共生島、代謝島、抗性島、適應(yīng)島等第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件

基因組島（例：細(xì)菌水平基因轉(zhuǎn)移與進(jìn)化的工具）FEMS

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376–393GEI的整合、發(fā)展和排除過程可移動GEI的生存方式示意圖如下：（1）被水平基因轉(zhuǎn)移獲得（2）被特殊位點重組后與宿主染

色體結(jié)合（3）通過基因重組所致的GEI的

發(fā)展：基因缺失(a)，或基

因獲得(b)（4）從染色體中排除（5）轉(zhuǎn)入其他受體第一節(jié)：細(xì)菌的可移動遺傳元件

基因組島（例：細(xì)菌水平基因轉(zhuǎn)移與進(jìn)化的工具）FEMS

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376–393GEIs通常為100kb-200kb的大的堿基片段。低于10kb片段被稱為基因插入核苷酸統(tǒng)計數(shù)據(jù)可識別GEIs，例如GC含量、累計GC偏移或密碼子選擇GEIs通常攜帶插入元素和轉(zhuǎn)座子GEIs具有很多種類并包含不同類型元素，例如轉(zhuǎn)座子、整合質(zhì)粒,非重復(fù)可排出元素以及隱秘噬菌體圖：不同類型的GEIs灰色陰影部分為自轉(zhuǎn)移GEIs第二節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的方式及機制三要素需要一種方式使得供體DNA被傳遞至受體細(xì)胞中獲得的DNA序列能夠整合入受體基因組中，或形成能自我復(fù)制的染色體外元件獲得的基因能夠表達(dá)其功能方式接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)座、溶源性轉(zhuǎn)換、細(xì)胞融合等第二節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的方式及機制接合(conjugation)DNA通過胞間直接物理連接從供體菌轉(zhuǎn)移到受體菌，可以介導(dǎo)屬于不同生物域的不同物種之間遺傳物質(zhì)的水平轉(zhuǎn)移通過細(xì)菌的質(zhì)粒與接合型轉(zhuǎn)座子來實現(xiàn)接合第二節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的方式及機制轉(zhuǎn)化(transformation)某一基因型的細(xì)胞從周圍介質(zhì)中吸收來自另一個基因型細(xì)胞的游離DNA而使它的基因型和表型發(fā)生相應(yīng)變化轉(zhuǎn)化方式廣泛用于實驗室中基因轉(zhuǎn)移的實驗中，通過人工誘導(dǎo)形成的感受態(tài)細(xì)菌，具有吸收外源DNA的能力發(fā)生在細(xì)菌生長的特定階段，感受態(tài)因子蛋白釋放于介質(zhì)中促進(jìn)DNA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)第二節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的方式及機制轉(zhuǎn)座(transposition)轉(zhuǎn)座是指轉(zhuǎn)座因子的基因轉(zhuǎn)移方式分類保守型轉(zhuǎn)座屬于非復(fù)制型轉(zhuǎn)座，在轉(zhuǎn)座過程中復(fù)制型轉(zhuǎn)座過程中類似的交叉結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，但不形成共整合體復(fù)制型轉(zhuǎn)座，在轉(zhuǎn)座過程中，供體分子上的轉(zhuǎn)座子首先被轉(zhuǎn)座酶在兩端交錯切開，最終供體和受體形成共整合體第二節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的方式及機制普遍性，水平基因轉(zhuǎn)移廣泛存在于各種生物中連續(xù)性，原核生物基因組間的水平基因轉(zhuǎn)移每時每刻都在進(jìn)行非復(fù)雜性，看家基因并不廣泛參與基因轉(zhuǎn)移特異性，可在不同種屬間相互轉(zhuǎn)移受環(huán)境影響，如受體菌是否處于感受態(tài)狀態(tài)；外源選擇壓力轉(zhuǎn)移概率，受外源DNA的影響，如外源DNA轉(zhuǎn)移入受體細(xì)菌概率生物類型，低等生物中發(fā)生的頻率遠(yuǎn)高于高度生物水平基因轉(zhuǎn)移的特點第三節(jié)：在生物進(jìn)化中意義水平基因轉(zhuǎn)移是獲得新基因的一個重要來源基因突變和水平基因轉(zhuǎn)移是促進(jìn)物種進(jìn)化的變異基因兩個來源加快基因組的進(jìn)化速度促進(jìn)細(xì)菌表型進(jìn)化水平基因轉(zhuǎn)移使細(xì)菌最大限度地獲得和適應(yīng)環(huán)境并生存繁殖所必需的功能水平基因轉(zhuǎn)移是不同細(xì)菌各具獨特的結(jié)構(gòu)和功能特征第三節(jié)：在生物進(jìn)化中意義例：從胞內(nèi)細(xì)菌到多細(xì)胞真核生物的廣泛水平基因轉(zhuǎn)移圖、熒光染色分析沃巴赫氏菌基因插入于宿主DNAScience

(2007),

317,

1753-1755HGT在細(xì)菌與細(xì)菌之間很常見，而在細(xì)菌與其相關(guān)的有機體內(nèi)的移動非常罕見一些內(nèi)共生體的存在，如沃巴赫氏菌，存在于真核種系中，可能幫助細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌宿主基因組本研究提供了從沃巴赫氏菌到它們宿主的水平基因轉(zhuǎn)移證據(jù)研究發(fā)現(xiàn)有4條基因組插入，大小從500bp左右到一個巨堿基左右第三節(jié)：在生物進(jìn)化中的意義Science

(2007),

317,

1753-1755圖、沃巴赫氏菌插入宿主染色體示意圖(A)由內(nèi)共生體產(chǎn)生的包含沃巴赫氏菌的重疊群(B)沃巴赫氏菌體基因片段WD_0024插入宿主N.

giraulti

(NG)、N.

vitripennis(NV)的不同位置(C)

宿主體內(nèi)被轉(zhuǎn)錄的一部分包含內(nèi)含子，與沃巴赫氏菌相似TPR，三四氨基酸重復(fù)；CDS，編碼序列例：從胞內(nèi)細(xì)菌到多細(xì)胞真核生物的廣泛水平基因轉(zhuǎn)移第四節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的障礙限制修飾障礙表面排斥具有同種的或親緣相近的兩種質(zhì)粒不能同時穩(wěn)定地保持在一個細(xì)胞內(nèi)。

阻礙了外源基因通過接合或轉(zhuǎn)化存在于新的宿主細(xì)胞內(nèi)雙鏈DNA受到限制修飾系統(tǒng)的限制，只要外源DNA含有限制性酶切位點，

那么外源DNA在宿主細(xì)胞內(nèi)被限制修飾系統(tǒng)酶切降解。啟動子識別障礙宿主細(xì)胞的RNA聚合酶不能有效地識別外源基因的轉(zhuǎn)錄信號第四節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的障礙復(fù)制障礙質(zhì)粒的復(fù)制需要多種蛋白質(zhì)因子參與，其中一種蛋白質(zhì)因子不表達(dá)或低表達(dá)，都會造成質(zhì)粒的復(fù)制障礙毒性基因無論親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近，某些外源基因會在宿主細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生毒素。這些基因的高劑量及過量表達(dá)都會導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)移失敗第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義

環(huán)境污染修復(fù)菌株相關(guān)的代謝移動原件（18種）第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義

細(xì)菌適應(yīng)污染環(huán)境與進(jìn)化過程（例1：硝基甲苯降解）硝基甲苯降解途徑研究發(fā)現(xiàn)，硝基甲苯,這種物質(zhì)只有在幾株菌的協(xié)同作用下才能徹底降解,每株菌只負(fù)責(zé)其中的一步或幾步反應(yīng)。實驗室培養(yǎng)過程分離到能編碼全套降解基因從而能獨自完全礦化硝基甲苯的單一菌株。單一菌株Biodegradation,2003,14(1):19～29第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義污染物生物修復(fù)作用（例2：苯酚降解基因的轉(zhuǎn)移）ApplEnvironMicrobiol,1997,63(12):4899～4906.向污染的油井中連續(xù)6年投加含有苯酚降解基因pheBA菌株分離投加菌株后的污染油井中Pseudomonassp原本不具有降解苯酚能力的Pseudomonassp菌株，含有pheBA基因簇利用HindIII酶切后的雜交結(jié)果(A),ORF1(B),thejunctionofORF1(C),pheB(D),pheB(E),pheA(F),ORF2第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義污染物生物修復(fù)作用（例2：苯酚降解基因的轉(zhuǎn)移）ApplEnvironMicrobiol,1997,63(12):4899～4906.向污染的油井中連續(xù)6年投加含有苯酚降解基因pheBA菌株分離投加菌株后的污染油井中Pseudomonassp原本不具有降解苯酚能力的Pseudomonassp菌株，含有pheBA基因簇(A),ORF1(B),thejunctionofORF1(C),pheB(D),pheB(E),pheA(F),ORF2第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義污染物生物修復(fù)作用（例3：催化還原脫鹵進(jìn)程）CriticalReviewsinMicrobiology,2012;38(2):95–110鹵代烷烴和芳香烴污染物類型：其還原脫鹵分解菌被證實具有水平基因轉(zhuǎn)移特性第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義污染物生物修復(fù)作用（例3：催化還原脫鹵進(jìn)程）CriticalReviewsinMicrobiology,2012;38(2):95–1104種2,4-D分解菌代謝基因簇組成結(jié)構(gòu)對比

DelftiaacidovoransP4a(tfdgenecluster)(AY078159)Burkholderiacepacia2a(plasmidpIJB1)(AF029344)RalstoniaeutrophaJMP134(plasmidpJP4)(AY365053)

Achromobacterxylosoxidanssubsp.denitrificansEST4002(plasmidpEST4011)(AY540995)箭頭表示ORF和轉(zhuǎn)化方向；紅綠箭頭表示2種還原脫氯酶(tfdDandtfdF)；黃藍(lán)箭頭表示tfd基因簇和其他ORFs；紫色箭頭表示tnpR基因第五節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移環(huán)境修復(fù)意義污染物生物修復(fù)作用（例3：催化還原脫鹵進(jìn)程）CriticalReviewsinMicrobiology,2012;38(2):95–110推斷具有還原脫氯能力的菌群進(jìn)化路徑不同的開路形狀代表不同土著微生物當(dāng)長時間暴露在鹵代毒物的壓力下，一種或幾種微生物通過變異垂直進(jìn)化出脫鹵能力(綠色微生物)進(jìn)而，整個微生物菌群通過HGT進(jìn)化，逐漸具有較強的還原脫鹵能力第五節(jié)：水平基