第7章基因水平轉(zhuǎn)移

第七章

微生物基因水平轉(zhuǎn)移課時(shí)：4學(xué)時(shí)

授課方式：講授＋討論開課時(shí)間：2014年秋季學(xué)期主要內(nèi)容細(xì)菌可移動(dòng)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(jī)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(dòng)遺傳元件細(xì)菌的可移動(dòng)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(dòng)元件的特征細(xì)菌的可移動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(diǎn)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(shí)在靶DNA位點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)遺傳元件插入序列

(Insertionsequence,IS)最簡單的轉(zhuǎn)座因子，可獨(dú)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)的切口IS插入時(shí)，在靶位點(diǎn)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(dòng)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(kuò)散第一節(jié)：細(xì)菌的可移動(dòng)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(gè)位點(diǎn)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(dòng)遺傳元件整合子(integron)

運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)遺傳元件基因組島(genomicisland，GI)染色體上可移動(dòng)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(dòng)遺傳元件第一節(jié)：細(xì)菌的可移動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)GEIs分泌DNA片段，可移動(dòng)或不可移動(dòng)，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?yàn)樗鼈儏⑴c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(dòng)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

MicrobiolRev

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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(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(dòng)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(jì)數(shù)據(jù)可識別GEIs，例如GC含量、累計(jì)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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)接合第二節(jié)：水平基因轉(zhuǎn)移的方式及機(jī)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(gè)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(shí)驗(yàn)室中基因轉(zhuǎn)移的實(shí)驗(yàn)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(jī)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(cuò)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(jī)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(shí)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(dú)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(jī)體內(nèi)的移動(dòng)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(gè)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(shí)穩(wěn)定地保持在一個(gè)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(diǎn)，

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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)過程分離到能編碼全套降解基因從而能獨(dú)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(shí)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(shí)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(gè)微生物菌群通過HGT進(jìn)化，逐漸具有較強(qiáng)的還原脫鹵能力第五節(jié)：水平基