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第七章第七章 微生物基因水平转移微生物基因水平转移课时：课时：4 4 学时学时 授课方式：讲授＋讨论授课方式：讲授＋讨论开课时间：开课时间：20142014年秋季学期年秋季学期1高级材料主要内容主要内容细菌可移动遗传元细菌可移动遗传元细菌可移动遗传元细菌可移动遗传元件件件件水平基因转移生物进化意义水平基因转移生物进化意义水平基因转移生物进化意义水平基因转移生物进化意义水平基因转移障碍水平基因转移障碍水平基因转移障碍水平基因转移障碍水平基因转移方式及水平基因转移方式及水平基因转移方式及水平基因转移方式及机制机制机制机制水平基因转移环境修复领域意义水平基因转移环境修复领域意义水平基因转移环境修复领域意义水平基因转移环境修复领域意义2高级材料第一节第一节：细菌的可移动遗传元件：细菌的可移动遗传元件水平水平水平水平基因基因基因基因转转移移移移 ( (horizontal gene transferhorizontal gene transfer) )ØØ差异生物个体之差异生物个体之差异生物个体之差异生物个体之间间，或，或，或，或单单个个个个细细胞内部胞内部胞内部胞内部细细胞器之胞器之胞器之胞器之间间所所所所进进行的行的行的行的遗遗传传物物物物质质的交流的交流的交流的交流ØØ水平基因水平基因水平基因水平基因转转移不移不移不移不仅发仅发生在生在生在生在细细菌之菌之菌之菌之间间，而且也，而且也，而且也，而且也发发生在生在生在生在细细菌与高菌与高菌与高菌与高等等等等动动物之物之物之物之间间，甚至高等，甚至高等，甚至高等，甚至高等动动物之物之物之物之间间ØØ水平基因水平基因水平基因水平基因转转移打破了移打破了移打破了移打破了亲缘亲缘关关关关系的界限，使基因流系的界限，使基因流系的界限，使基因流系的界限，使基因流动动的可的可的可的可 能能能能变变得更得更得更得更为为复复复复杂杂ØØ微生物微生物微生物微生物水平水平水平水平转转移增加了微生物的多移增加了微生物的多移增加了微生物的多移增加了微生物的多样样性；提高了微生物性；提高了微生物性；提高了微生物性；提高了微生物 适适适适应应新新新新环环境能力境能力境能力境能力意意意意义义3高级材料第一节第一节：细菌的可移动遗传元件：细菌的可移动遗传元件细细菌的可移菌的可移菌的可移菌的可移动遗传动遗传元件元件元件元件分分分分为为核心核心核心核心基因基因基因基因库库和和和和易易易易变变基因基因基因基因库库ØØ核心基因核心基因核心基因核心基因库库：：：：位于染色体位于染色体位于染色体位于染色体DNADNA上，大部分上，大部分上，大部分上，大部分编码负责细编码负责细胞基胞基胞基胞基本功能的蛋白本功能的蛋白本功能的蛋白本功能的蛋白质质ØØ易易易易变变基因基因基因基因库库ØØDNADNA具有移具有移具有移具有移动动元件的特征元件的特征元件的特征元件的特征ØØ细细菌的可移菌的可移菌的可移菌的可移动遗传动遗传元件：噬菌体、元件：噬菌体、元件：噬菌体、元件：噬菌体、质质粒、粒、粒、粒、转转座因子、整合子、座因子、整合子、座因子、整合子、座因子、整合子、基因基因基因基因岛岛4高级材料第一节：第一节：细菌的可移动遗传元件细菌的可移动遗传元件质粒质粒质质粒粒粒粒细菌中能自我复制的染色体细菌中能自我复制的染色体细菌中能自我复制的染色体细菌中能自我复制的染色体外外外外DNADNA遗传元件遗传元件遗传元件遗传元件质粒与染色体质粒与染色体DNA质粒为最常用水平基因转移质粒为最常用水平基因转移质粒为最常用水平基因转移质粒为最常用水平基因转移工具工具工具工具分为接合型质粒和非接合型分为接合型质粒和非接合型分为接合型质粒和非接合型分为接合型质粒和非接合型质粒质粒质粒质粒5高级材料第一节：第一节：细菌的可移动遗传元件细菌的可移动遗传元件噬菌体的基因噬菌体的基因噬菌体的基因噬菌体的基因转转移元件移元件移元件移元件ØØ其基因转移对于细菌的生长繁其基因转移对于细菌的生长繁其基因转移对于细菌的生长繁其基因转移对于细菌的生长繁殖及进化过程有重要的作用殖及进化过程有重要的作用殖及进化过程有重要的作用殖及进化过程有重要的作用ØØ噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体是感染细菌、真菌、是感染细菌、真菌、是感染细菌、真菌、是感染细菌、真菌、放放放放线菌或螺旋体等细菌病毒总称，线菌或螺旋体等细菌病毒总称，线菌或螺旋体等细菌病毒总称，线菌或螺旋体等细菌病毒总称，ØØ具有具有具有具有病毒特有的一些特性：个病毒特有的一些特性：个病毒特有的一些特性：个病毒特有的一些特性：个体微小；体微小；体微小；体微小；不具完整细胞结构不具完整细胞结构不具完整细胞结构不具完整细胞结构；；；；只含单一核酸只含单一核酸只含单一核酸只含单一核酸6高级材料第一节：第一节：细菌的可移动遗传元件细菌的可移动遗传元件转转座因子座因子座因子座因子( (transport transport element, TE)element, TE)ØØDNADNA分子具有转座因子，帮分子具有转座因子，帮分子具有转座因子，帮分子具有转座因子，帮助助助助DNADNA分子在位点之间转移分子在位点之间转移分子在位点之间转移分子在位点之间转移ØØ不具有自我复制功能，但是不具有自我复制功能，但是不具有自我复制功能，但是不具有自我复制功能，但是它们具有可复制插入后的宿它们具有可复制插入后的宿它们具有可复制插入后的宿它们具有可复制插入后的宿主主主主DNADNAØØ插入寄主插入寄主插入寄主插入寄主DNADNA后，导致基因失活后，导致基因失活后，导致基因失活后，导致基因失活 插入时在靶插入时在靶插入时在靶插入时在靶DNADNA位点产生一个短的同向重复顺序位点产生一个短的同向重复顺序位点产生一个短的同向重复顺序位点产生一个短的同向重复顺序ØØDNADNA转座子转座子转座子转座子(DNA transponson)(DNA transponson)，存在于原核生物和真核生物。

转座，存在于原核生物和真核生物转座，存在于原核生物和真核生物转座，存在于原核生物和真核生物转座过程从过程从过程从过程从DNA→DNADNA→DNAØØRNARNA转座子转座子转座子转座子(RNA (RNA transponsontransponson) )，存在于真核生物转座过程是以，存在于真核生物转座过程是以，存在于真核生物转座过程是以，存在于真核生物转座过程是以RNARNA为中间体，从为中间体，从为中间体，从为中间体，从DNADNA → → RNARNA → → cDNAcDNA → → DNADNA类类型型型型7高级材料第一节：第一节：细菌的可移动遗传元件细菌的可移动遗传元件插入序列插入序列插入序列插入序列 (Insertion (Insertion sequence, sequence, IS)IS)最最最最简单的转座因子，可独立存简单的转座因子，可独立存简单的转座因子，可独立存简单的转座因子，可独立存在，也可以作为其它转座因子在，也可以作为其它转座因子在，也可以作为其它转座因子在，也可以作为其它转座因子的一部分存在于某些细菌的一部分存在于某些细菌的一部分存在于某些细菌的一部分存在于某些细菌特点特点特点特点ØØ在在在在ISIS两端含有长度为两端含有长度为两端含有长度为两端含有长度为10-40bp10-40bp的反向重复序列，反向重复序列在的反向重复序列，反向重复序列在的反向重复序列，反向重复序列在的反向重复序列，反向重复序列在ISIS的切割和的切割和的切割和的切割和DNADNA链转移中起作用链转移中起作用链转移中起作用链转移中起作用ØØ大多数大多数大多数大多数ISIS含有一个编码转座酶的长编码区。

转座酶负责识别切割含有一个编码转座酶的长编码区转座酶负责识别切割含有一个编码转座酶的长编码区转座酶负责识别切割含有一个编码转座酶的长编码区转座酶负责识别切割转座子的两端及靶位点的切口转座子的两端及靶位点的切口转座子的两端及靶位点的切口转座子的两端及靶位点的切口ØØISIS插入时，在靶位点产生短的同向重复序列，分布在插入时，在靶位点产生短的同向重复序列，分布在插入时，在靶位点产生短的同向重复序列，分布在插入时，在靶位点产生短的同向重复序列，分布在ISIS的两侧的两侧的两侧的两侧8高级材料第一节第一节：细菌的可移动遗传元件：细菌的可移动遗传元件复复复复杂杂转转座子座子座子座子(complex (complex transposon)transposon)两端是短两端是短两端是短两端是短(30-40bp)(30-40bp)的末端反的末端反的末端反的末端反向复杂序列向复杂序列向复杂序列向复杂序列(IR)(IR)或同向重复序或同向重复序或同向重复序或同向重复序列列列列(DR)(DR)，中央是转座酶基因，中央是转座酶基因，中央是转座酶基因，中央是转座酶基因和抗药性基因和抗药性基因和抗药性基因和抗药性基因接合型接合型接合型接合型转转座子座子座子座子(conjugative transposon) (conjugative transposon) 通过通过通过通过接合作用转移的转座子接合作用转移的转座子接合作用转移的转座子接合作用转移的转座子，末端，末端，末端，末端没没没没有重复序列，但含有整合酶基因、切有重复序列，但含有整合酶基因、切有重复序列，但含有整合酶基因、切有重复序列，但含有整合酶基因、切离酶基因、接合型转移基因及抗生素离酶基因、接合型转移基因及抗生素离酶基因、接合型转移基因及抗生素离酶基因、接合型转移基因及抗生素基因基因基因基因接合型转座子综合转座子、质粒、噬菌体的特征，是真正的基因转接合型转座子综合转座子、质粒、噬菌体的特征，是真正的基因转接合型转座子综合转座子、质粒、噬菌体的特征，是真正的基因转接合型转座子综合转座子、质粒、噬菌体的特征，是真正的基因转移因子，能引起抗性基因在许多重要细菌中的扩散移因子，能引起抗性基因在许多重要细菌中的扩散移因子，能引起抗性基因在许多重要细菌中的扩散移因子，能引起抗性基因在许多重要细菌中的扩散9高级材料第一节第一节：细菌的可移动遗传元件：细菌的可移动遗传元件MuMu噬菌体噬菌体噬菌体噬菌体(mutator (mutator phage)phage)MuMu噬菌体不同于一般的温和噬菌体噬菌体不同于一般的温和噬菌体噬菌体不同于一般的温和噬菌体噬菌体不同于一般的温和噬菌体ØØMu DNAMu DNA几乎可插入到宿主染色几乎可插入到宿主染色几乎可插入到宿主染色几乎可插入到宿主染色体上任何一个位点上体上任何一个位点上体上任何一个位点上体上任何一个位点上ØØMu DNAMu DNA的两端没有黏性末端，的两端没有黏性末端，的两端没有黏性末端，的两端没有黏性末端，插入到基因中引起该基因的突变插入到基因中引起该基因的突变插入到基因中引起该基因的突变插入到基因中引起该基因的突变 优势优势优势优势ØØ易于易于易于易于识别，识别，识别，识别，不是细菌基因组正常不是细菌基因组正常不是细菌基因组正常不是细菌基因组正常组分组分组分组分ØØ可可可可经诱导产生，易于制备经诱导产生，易于制备经诱导产生，易于制备经诱导产生，易于制备10高级材料第一节第一节：细菌的可移动遗传元件：细菌的可移动遗传元件整合子整合子整合子整合子(integron)(integron)ØØ 运动性运动性运动性运动性DNADNA分子，可捕获和整合分子，可捕获和整合分子，可捕获和整合分子，可捕获和整合外源性基因，使之转变为功能性外源性基因，使之转变为功能性外源性基因，使之转变为功能性外源性基因，使之转变为功能性基因的表达单位基因的表达单位基因的表达单位基因的表达单位ØØ整合子会转移抗性基因，如图整合子会转移抗性基因，如图整合子会转移抗性基因，如图整合子会转移抗性基因，如图addBaddB基因属于基因属于基因属于基因属于aadaad基因家族基因家族基因家族基因家族( (编码氨基酸甘编码氨基酸甘编码氨基酸甘编码氨基酸甘转移酶，作用于不同的氨基糖苷类抗生素，使其钝化，介导耐药性转移酶，作用于不同的氨基糖苷类抗生素，使其钝化，介导耐药性转移酶，作用于不同的氨基糖苷类抗生素，使其钝化，介导耐药性转移酶，作用于不同的氨基糖苷类抗生素，使其钝化，介导耐药性) ) aadBaadB主要介导庆大霉素等主要介导庆大霉素等主要介导庆大霉素等主要介导庆大霉素等基因盒基因盒基因盒基因盒(gene cassette)(gene cassette)ØØ能够被整合到整合子上或是整合能够被整合到整合子上或是整合能够被整合到整合子上或是整合能够被整合到整合子上或是整合子上切除的移动元件子上切除的移动元件子上切除的移动元件子上切除的移动元件ØØ基因基因基因基因盒盒盒盒- -整合子系统是细菌基因组中的基因克隆和表达单位，能携带位点整合子系统是细菌基因组中的基因克隆和表达单位，能携带位点整合子系统是细菌基因组中的基因克隆和表达单位，能携带位点整合子系统是细菌基因组中的基因克隆和表达单位，能携带位点特异性重组系统组分，形成多种耐药基因的组合、排列特异性重组系统组分，形成多种耐药基因的组合、排列特异性重组系统组分，形成多种耐药基因的组合、排列特异性重组系统组分，形成多种耐药基因的组合、排列ØØ使受体菌获得新的生物学性状，以及微生物新种的形成使受体菌获得新的生物学性状，以及微生物新种的形成使受体菌获得新的生物学性状，以及微生物新种的形成使受体菌获得新的生物学性状，以及微生物新种的形成11高级材料第一节：细菌的可移动遗传元件第一节：细菌的可移动遗传元件基因基因基因基因组组岛岛(genomic island(genomic island，，，，GI)GI)染色体上可移动遗传元件，通过水平基因转移而获得的外源染色体上可移动遗传元件，通过水平基因转移而获得的外源染色体上可移动遗传元件，通过水平基因转移而获得的外源染色体上可移动遗传元件，通过水平基因转移而获得的外源DNADNA片段片段片段片段ØØ位于细菌染色体；大小不一位于细菌染色体；大小不一位于细菌染色体；大小不一位于细菌染色体；大小不一(10-200kb)(10-200kb)；两端具有重复序列；携带插入序；两端具有重复序列；携带插入序；两端具有重复序列；携带插入序；两端具有重复序列；携带插入序列元件列元件列元件列元件(IS)(IS)及整合酶基因及整合酶基因及整合酶基因及整合酶基因( (int1int1) )等其他可移动遗传元件等其他可移动遗传元件等其他可移动遗传元件等其他可移动遗传元件12高级材料第一节：细菌的可移动遗传元件第一节：细菌的可移动遗传元件 基因组岛基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）（例：细菌水平基因转移与进化的工具）Ø细菌通过变异、重组和水平基因转移进行进化Ø除了核心基因编码必要的代谢功能，基因组同时拥有大量附属基因。

这些基因可通过水平基因转移获得，细菌受益于这些基因Ø水平基因转移由基因岛（genomic islands, GEIs）协助实现ØGEIs分泌DNA片段，可移动或不可移动，取决于相关的菌体Ø大量GEIs能够整合进入宿主并通过转化、转移和转导进入新宿主ØGEIs决定了细菌的大部分进化，因为它们参与散播基因，包括抗性基因、病毒基因以及形成新代谢路径的代谢基因Ø取决于基因模块的组成，同一种GEIs可促进不同类型微生物的进化，例如致病菌和环境微生物13高级材料第一节：细菌的可移动遗传元件第一节：细菌的可移动遗传元件 基因组岛基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）（例：细菌水平基因转移与进化的工具）FEMS MicrobiolRev 33 (2009) 376–393 GEI总体特性图总体特性图GEIs是一段大的DNA片段，核酸特性不同于其他染色体GEI通常插入于tRNA基因，靠近DR酶GEIs有与基因迁移相关的编码子，例如整合酶, 转座酶和插入序列根据基因含量，GEIs被称为致病性岛、共生岛、代谢岛、抗性岛、适应岛等14高级材料第一节：细菌的可移动遗传元件第一节：细菌的可移动遗传元件 基因组岛基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）（例：细菌水平基因转移与进化的工具）FEMS MicrobiolRev 33 (2009) 376–393 GEI的整合、发展和排除过程的整合、发展和排除过程可移动GEI的生存方式示意图如下：（1）被水平基因转移获得（2）被特殊位点重组后与宿主染 色体结合（3）通过基因重组所致的GEI的 发展：基因缺失(a)，或基 因获得(b)（4）从染色体中排除（5）转入其他受体15高级材料第一节：细菌的可移动遗传元件第一节：细菌的可移动遗传元件 基因组岛基因组岛（（例：例：细菌水平基因转移与进化的工具）细菌水平基因转移与进化的工具）FEMS MicrobiolRev 33 (2009) 376–393 ØGEIs通常通常为为100kb-200kb的大的碱基片段。

低于的大的碱基片段低于10kb片段被称为基因插入片段被称为基因插入Ø核苷酸统计数据可识别核苷酸统计数据可识别GEIs，例如，例如GC含量、累计含量、累计GC偏移或密码子选择偏移或密码子选择ØGEIs通常携带插入元素和转座子通常携带插入元素和转座子ØGEIs 具有很多种类并包含不同类型元素，例如转座子、整合质粒具有很多种类并包含不同类型元素，例如转座子、整合质粒, 非非重复重复可排出元素以及隐秘噬菌体可排出元素以及隐秘噬菌体图：不同类型的GEIs灰色阴影部分为自转移GEIs 16高级材料第二节：水平基因转移的方式及机制第二节：水平基因转移的方式及机制三要素三要素三要素三要素需要一种方式使得供体需要一种方式使得供体需要一种方式使得供体需要一种方式使得供体DNADNA被传递至受体细胞中被传递至受体细胞中被传递至受体细胞中被传递至受体细胞中获获获获得的得的得的得的DNADNA序列能够整合入受体基因组中，序列能够整合入受体基因组中，序列能够整合入受体基因组中，序列能够整合入受体基因组中，或形成能自我复制的染色体外元件或形成能自我复制的染色体外元件或形成能自我复制的染色体外元件或形成能自我复制的染色体外元件获得的基因能够表达其功能获得的基因能够表达其功能获得的基因能够表达其功能获得的基因能够表达其功能方式方式方式方式接合、转化、转导、转座、溶源性转换、细胞融合等接合、转化、转导、转座、溶源性转换、细胞融合等接合、转化、转导、转座、溶源性转换、细胞融合等接合、转化、转导、转座、溶源性转换、细胞融合等17高级材料第二节：水平基因转移的方式及机制第二节：水平基因转移的方式及机制接合接合接合接合(conjugation)(conjugation)ØØDNADNA通过胞间直通过胞间直通过胞间直通过胞间直接物理连接从接物理连接从接物理连接从接物理连接从供体菌转移到供体菌转移到供体菌转移到供体菌转移到受体菌，可以受体菌，可以受体菌，可以受体菌，可以介导属于不同介导属于不同介导属于不同介导属于不同生物域的不同生物域的不同生物域的不同生物域的不同物种之间遗传物种之间遗传物种之间遗传物种之间遗传物质的水平转物质的水平转物质的水平转物质的水平转移移移移ØØ通过细菌的质粒通过细菌的质粒通过细菌的质粒通过细菌的质粒与接合型转座子与接合型转座子与接合型转座子与接合型转座子来实现接合来实现接合来实现接合来实现接合18高级材料第二节：水平基因转移的方式及机制第二节：水平基因转移的方式及机制转转化化化化(transformation)(transformation)ØØ某某某某一基因型的细胞从周围介质一基因型的细胞从周围介质一基因型的细胞从周围介质一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一个基因型细胞中吸收来自另一个基因型细胞中吸收来自另一个基因型细胞中吸收来自另一个基因型细胞的游离的游离的游离的游离DNADNA而使它的基因型和而使它的基因型和而使它的基因型和而使它的基因型和表型发生相应变化表型发生相应变化表型发生相应变化表型发生相应变化ØØ转化方式广泛用于实验室中基转化方式广泛用于实验室中基转化方式广泛用于实验室中基转化方式广泛用于实验室中基因转移的实验中，通过人工诱因转移的实验中，通过人工诱因转移的实验中，通过人工诱因转移的实验中，通过人工诱导形成的感受态细菌，具有吸导形成的感受态细菌，具有吸导形成的感受态细菌，具有吸导形成的感受态细菌，具有吸收外源收外源收外源收外源DNADNA的能力的能力的能力的能力ØØ发生在细菌生长的特定阶段，发生在细菌生长的特定阶段，发生在细菌生长的特定阶段，发生在细菌生长的特定阶段，感受态因子蛋白释放于介质中感受态因子蛋白释放于介质中感受态因子蛋白释放于介质中感受态因子蛋白释放于介质中促进促进促进促进DNADNA进入细胞内进入细胞内进入细胞内进入细胞内19高级材料第二节：水平基因转移的方式及机制第二节：水平基因转移的方式及机制转转座座座座(transposition)(transposition)转座是指转座因子的基转座是指转座因子的基转座是指转座因子的基转座是指转座因子的基因转移方式因转移方式因转移方式因转移方式分类分类分类分类ØØ保守型转座属于非复制型转保守型转座属于非复制型转保守型转座属于非复制型转保守型转座属于非复制型转座，在转座过程中复制型转座，在转座过程中复制型转座，在转座过程中复制型转座，在转座过程中复制型转座过程中类似的交叉结构的座过程中类似的交叉结构的座过程中类似的交叉结构的座过程中类似的交叉结构的出现，但不形成共整合体出现，但不形成共整合体出现，但不形成共整合体出现，但不形成共整合体ØØ复制型转座，在转座过程中，复制型转座，在转座过程中，复制型转座，在转座过程中，复制型转座，在转座过程中，供体分子上的转座子首先被供体分子上的转座子首先被供体分子上的转座子首先被供体分子上的转座子首先被转座酶在两端交错切开，最转座酶在两端交错切开，最转座酶在两端交错切开，最转座酶在两端交错切开，最终供体和受体形成共整合体终供体和受体形成共整合体终供体和受体形成共整合体终供体和受体形成共整合体20高级材料第二节：水平基因转移的方式及机制第二节：水平基因转移的方式及机制ØØ普遍性，水平基因转移广泛存在于各种生物中普遍性，水平基因转移广泛存在于各种生物中普遍性，水平基因转移广泛存在于各种生物中普遍性，水平基因转移广泛存在于各种生物中ØØ连续性，原核生物基因组间的水平基因转移每时每刻都在进行连续性，原核生物基因组间的水平基因转移每时每刻都在进行连续性，原核生物基因组间的水平基因转移每时每刻都在进行连续性，原核生物基因组间的水平基因转移每时每刻都在进行ØØ非复杂性，看家基因并不广泛参与基因转移非复杂性，看家基因并不广泛参与基因转移非复杂性，看家基因并不广泛参与基因转移非复杂性，看家基因并不广泛参与基因转移ØØ特异性，可在不同种属间相互转移特异性，可在不同种属间相互转移特异性，可在不同种属间相互转移特异性，可在不同种属间相互转移ØØ受环境影响，如受体菌是否处于感受态状态；外源选择压力受环境影响，如受体菌是否处于感受态状态；外源选择压力受环境影响，如受体菌是否处于感受态状态；外源选择压力受环境影响，如受体菌是否处于感受态状态；外源选择压力ØØ转移概率，受外源转移概率，受外源转移概率，受外源转移概率，受外源DNADNA的影响，如外源的影响，如外源的影响，如外源的影响，如外源DNADNA转移入受体细菌概率转移入受体细菌概率转移入受体细菌概率转移入受体细菌概率ØØ生物类型，低等生物中发生的频率远高于高度生物生物类型，低等生物中发生的频率远高于高度生物生物类型，低等生物中发生的频率远高于高度生物生物类型，低等生物中发生的频率远高于高度生物水平基因水平基因水平基因水平基因转转移的特点移的特点移的特点移的特点21高级材料第三节第三节：在生物进化中意义：在生物进化中意义ØØ水平基因转移是获得新基因的一个重要来源水平基因转移是获得新基因的一个重要来源水平基因转移是获得新基因的一个重要来源水平基因转移是获得新基因的一个重要来源ØØ基因突变和水平基因转移是促进物种进化的变异基因两个来源基因突变和水平基因转移是促进物种进化的变异基因两个来源基因突变和水平基因转移是促进物种进化的变异基因两个来源基因突变和水平基因转移是促进物种进化的变异基因两个来源加快基因加快基因加快基因加快基因组组的的的的进进化速度化速度化速度化速度促促促促进细进细菌表型菌表型菌表型菌表型进进化化化化ØØ水平基因转移使细菌最大限度地获得和适应环境并生存繁水平基因转移使细菌最大限度地获得和适应环境并生存繁水平基因转移使细菌最大限度地获得和适应环境并生存繁水平基因转移使细菌最大限度地获得和适应环境并生存繁殖所必需的功能殖所必需的功能殖所必需的功能殖所必需的功能ØØ水平基因转移是不同细菌各具独特的结构和功能特征水平基因转移是不同细菌各具独特的结构和功能特征水平基因转移是不同细菌各具独特的结构和功能特征水平基因转移是不同细菌各具独特的结构和功能特征22高级材料第三节第三节：在生物进化中意义：在生物进化中意义 例：从胞内细菌到多细胞真核生物的广泛水平基因转移从胞内细菌到多细胞真核生物的广泛水平基因转移图、荧光染色分析沃巴赫氏菌基因插入于宿主图、荧光染色分析沃巴赫氏菌基因插入于宿主DNADNAScienceScience (2007),(2007), 317,317, 1 1753-1755 753-1755 ØHGTHGT在细菌与细菌之间很常见，而在细菌与其相关的有机体内的移动非在细菌与细菌之间很常见，而在细菌与其相关的有机体内的移动非常罕见常罕见Ø一些内共生体的存在，如沃一些内共生体的存在，如沃巴赫氏巴赫氏菌，存在于真核种系中，可能帮助菌，存在于真核种系中，可能帮助细菌基因转移到细菌宿主基因组细菌基因转移到细菌宿主基因组Ø本研究提供本研究提供了从了从沃巴赫沃巴赫氏菌到它们宿主的水平基因转移证据氏菌到它们宿主的水平基因转移证据Ø研究发现有研究发现有4 4条基因组插入，大小从条基因组插入，大小从500bp500bp左右到一个巨碱基左右到一个巨碱基左右左右23高级材料第三节：在生物进化中的意义第三节：在生物进化中的意义ScienceScience (2007),(2007), 317,317, 1 1753-1755 753-1755 图、沃巴赫氏菌插入宿主染色沃巴赫氏菌插入宿主染色体示意图体示意图(A)由内共生体产生的包含沃巴由内共生体产生的包含沃巴赫赫氏氏菌的重叠群菌的重叠群(B)沃巴赫沃巴赫氏菌体基因片段氏菌体基因片段WD_0024插入宿主插入宿主 N. giraulti (NG)、、N. vitripennis (NV)的不的不同位置同位置(C) 宿主体内被转录的一部分宿主体内被转录的一部分包含内含子，与包含内含子，与沃巴赫氏沃巴赫氏菌相菌相似似TPR，三四氨基酸重复，三四氨基酸重复；；CDS，编码，编码序列序列 例：从胞内细菌到多细胞真核生物的广泛水平基因转移从胞内细菌到多细胞真核生物的广泛水平基因转移24高级材料第四节：第四节：水平基因转移的障碍水平基因转移的障碍限制修限制修限制修限制修饰饰障碍障碍障碍障碍表面排斥表面排斥表面排斥表面排斥 具有同种的或亲缘相近的两种质粒不能同时稳定地保持在一个细胞内。

具有同种的或亲缘相近的两种质粒不能同时稳定地保持在一个细胞内具有同种的或亲缘相近的两种质粒不能同时稳定地保持在一个细胞内具有同种的或亲缘相近的两种质粒不能同时稳定地保持在一个细胞内 阻碍了外源基因通过接合或转化存在于新的宿主细胞内阻碍了外源基因通过接合或转化存在于新的宿主细胞内阻碍了外源基因通过接合或转化存在于新的宿主细胞内阻碍了外源基因通过接合或转化存在于新的宿主细胞内 双链双链双链双链DNADNA受到限制修饰系统的限制，只要外源受到限制修饰系统的限制，只要外源受到限制修饰系统的限制，只要外源受到限制修饰系统的限制，只要外源DNADNA含有限制性酶切位点，含有限制性酶切位点，含有限制性酶切位点，含有限制性酶切位点， 那么外源那么外源那么外源那么外源DNADNA在宿主细胞内被限制修饰系统酶切降解在宿主细胞内被限制修饰系统酶切降解在宿主细胞内被限制修饰系统酶切降解在宿主细胞内被限制修饰系统酶切降解启启启启动动子子子子识别识别障碍障碍障碍障碍 宿主细胞的宿主细胞的宿主细胞的宿主细胞的RNARNA聚合酶不能有效地识别外源基因的转录信号聚合酶不能有效地识别外源基因的转录信号聚合酶不能有效地识别外源基因的转录信号聚合酶不能有效地识别外源基因的转录信号25高级材料第四节：第四节：水平基因转移的障碍水平基因转移的障碍复制障碍复制障碍复制障碍复制障碍• •质粒的复制需要多种蛋白质因子参与，其中一种蛋白质因子不表达质粒的复制需要多种蛋白质因子参与，其中一种蛋白质因子不表达质粒的复制需要多种蛋白质因子参与，其中一种蛋白质因子不表达质粒的复制需要多种蛋白质因子参与，其中一种蛋白质因子不表达或低表达，都会造成质粒的复制障碍或低表达，都会造成质粒的复制障碍或低表达，都会造成质粒的复制障碍或低表达，都会造成质粒的复制障碍毒性基因毒性基因毒性基因毒性基因• •无论亲缘关系的远近，某些外源基因会在宿主细胞内产生毒素。

无论亲缘关系的远近，某些外源基因会在宿主细胞内产生毒素无论亲缘关系的远近，某些外源基因会在宿主细胞内产生毒素无论亲缘关系的远近，某些外源基因会在宿主细胞内产生毒素这些基因的高剂量及过量表达都会导致基因转移失败这些基因的高剂量及过量表达都会导致基因转移失败这些基因的高剂量及过量表达都会导致基因转移失败这些基因的高剂量及过量表达都会导致基因转移失败26高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 环境污染修复菌株相关的代谢移动原件（环境污染修复菌株相关的代谢移动原件（18种）种）27高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 细菌适应污染环境与进化过程（例细菌适应污染环境与进化过程（例1：硝基甲苯降解）：硝基甲苯降解）硝基甲苯硝基甲苯降解途径降解途径研究发现，硝基甲苯,这种物质只有在几株菌的协同作用下才能彻底降解,每株菌只负责其中的一步或几步反应 实验室培养过程分离到能编码全套降解基因从而能独自完全矿化硝基甲苯的单一菌株单一菌株Biodegradation, 2003 , 14 (1) :19 Biodegradation, 2003 , 14 (1) :19 ～～～～292928高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例2：苯酚降解基因的转移）：苯酚降解基因的转移）Appl Environ Microbiol , 1997 , 63 (12) :4899Appl Environ Microbiol , 1997 , 63 (12) :4899～～～～4906.4906.向污染的油井中连续向污染的油井中连续向污染的油井中连续向污染的油井中连续6 6年投加含有苯酚降年投加含有苯酚降年投加含有苯酚降年投加含有苯酚降解基因解基因解基因解基因pheBApheBA菌株菌株菌株菌株分离投加菌株后的污染分离投加菌株后的污染分离投加菌株后的污染分离投加菌株后的污染油井中油井中油井中油井中Pseudomonas Pseudomonas sp sp 原本不具有降解苯酚能原本不具有降解苯酚能原本不具有降解苯酚能原本不具有降解苯酚能力的力的力的力的Pseudomonas spPseudomonas sp菌菌菌菌株，含有株，含有株，含有株，含有pheBApheBA基因簇基因簇基因簇基因簇利用HindIII酶切后的杂交结果(A), ORF1 (B), the junction of ORF1 (C), pheB (D), pheB (E), pheA (F), ORF2 29高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例2：苯酚降解基因的转移）：苯酚降解基因的转移）Appl Environ Microbiol , 1997 , 63 (12) :4899Appl Environ Microbiol , 1997 , 63 (12) :4899～～～～4906.4906.向污染的油井中连续向污染的油井中连续向污染的油井中连续向污染的油井中连续6 6年投加含有苯酚降年投加含有苯酚降年投加含有苯酚降年投加含有苯酚降解基因解基因解基因解基因pheBApheBA菌株菌株菌株菌株分离投加菌株后的污染分离投加菌株后的污染分离投加菌株后的污染分离投加菌株后的污染油井中油井中油井中油井中Pseudomonas Pseudomonas sp sp 原本不具有降解苯酚能原本不具有降解苯酚能原本不具有降解苯酚能原本不具有降解苯酚能力的力的力的力的Pseudomonas spPseudomonas sp菌菌菌菌株，含有株，含有株，含有株，含有pheBApheBA基因簇基因簇基因簇基因簇(A), ORF1 (B), the junction of ORF1 (C), pheB (D), pheB (E), pheA (F), ORF2 30高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例3：催化还原脱卤进程）：催化还原脱卤进程）Critical Reviews in Microbiology, 2012; 38(2): 95–110 卤代烷烃和芳卤代烷烃和芳卤代烷烃和芳卤代烷烃和芳香烃污染物类香烃污染物类香烃污染物类香烃污染物类型：型：型：型：其还原脱卤分其还原脱卤分其还原脱卤分其还原脱卤分解菌被证实具解菌被证实具解菌被证实具解菌被证实具有有有有水平基因转水平基因转水平基因转水平基因转移移移移特性特性特性特性31高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例3：催化还原脱卤进程）：催化还原脱卤进程）Critical Reviews in Microbiology, 2012; 38(2): 95–110 4种2,4-D 分解菌代谢基因簇组成结构对比 (a)Delftia acidovorans P4a (tfd gene cluster) (AY078159)(b)Burkholderia cepacia 2a (plasmid pIJB1) (AF029344)(c)Ralstonia eutropha JMP134 (plasmid pJP4) (AY365053)(d) Achromobacter xylosoxidans subsp. denitrificans EST4002 (plasmid pEST4011) (AY540995)箭头表示ORF和转化方向；红绿箭头表示2种还原脱氯酶 (tfdD and tfdF)；黄蓝箭头表示tfd 基因簇和其他ORFs；紫色箭头表示tnpR基因32高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例3：催化还原脱卤进程）：催化还原脱卤进程）Critical Reviews in Microbiology, 2012; 38(2): 95–110 推断具有还原脱氯能力的菌群进化路径Ø不同的开路形状代表不同土著微生物Ø当长时间暴露在卤代毒物的压力下，一种或几种微生物通过变异垂直进化出脱卤能力 (绿色微生物)Ø进而，整个微生物菌群通过HGT进化，逐渐具有较强的还原脱卤能力33高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例4：重金属污染的生物群落进化）：重金属污染的生物群落进化）ISME Journal, (2010) 4, 660–672 Ø研究表明长时间暴露在重金属、硝酸及有机溶剂，微生物的种群、多样性及代谢路径减少Ø存活的种群可适应极端环境，但非常简单，主要为c-和β-变形菌门类,如左图所示34高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例4：重金属污染的生物群落进化）：重金属污染的生物群落进化）Ø研究表明这些群落产富含抗特殊压力基因，如抗硝酸、重金属及丙酮Ø基因重组的菌体转运蛋白代谢路径：1.碳代谢路径（绿色）2.有机溶剂脱毒（蓝色）3.重金属脱毒（棕色）4.抗酸(橘黄色)ISME Journal, (2010) 4, 660–672 35高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用（例污染物生物修复作用（例4：重金属污染的生物群落进化）：重金属污染的生物群落进化）Critical Reviews in Microbiology, 2012; 38(2): 95–110 Ø进化论分析水平基因转移在其快速进化和适应环境污染过程中起重要作用Ø研究对于理解、评估、预测人类活动因素造成的微生物功能改变起重要作用图--预测的水平基因转移量36高级材料第第五节：五节：水平基因转移环境修复意义水平基因转移环境修复意义 污染物生物修复作用污染物生物修复作用Ø由于大量异生污染物的产生由于大量异生污染物的产生，，污染地区成为细菌水平污染地区成为细菌水平基因转移的一个基因转移的一个“热点热点”区域区域。

Ø为了实现污染地区的生物修复及强化难降解废水处理为了实现污染地区的生物修复及强化难降解废水处理的效果的效果，，人为的制造和加快特定降解基因的人为的制造和加快特定降解基因的水平转移水平转移被认为是解决这些问题被认为是解决这些问题的一个新思路的一个新思路Ø水平基因转移在环境修复领水平基因转移在环境修复领域的可能贡献目前尚处于域的可能贡献目前尚处于起步阶段，有很大的发现空间起步阶段，有很大的发现空间37高级材料问题？问题？38高级材料。