细菌基因组进化的分子机制与调控假说

细菌基因组进化的分子机制与调控假说摘要:本文论述了细菌基因组进化的4个分子策略:点突变,基因组内重排,基因水平转移,基因缺失，从经典的达尔文进化论角度探讨了细菌基因组进化与表型进化的关系，并且介绍了细菌基因组进化的调控假说。关键词:细菌;基因组进化;表型进化:调控假说引言：•细菌基因组是指菌体细胞内染色体所含的全部DNA序列,其基本特点包括:绝大多数细菌染色体只有一个,一般呈环状;染色体DNA不和蛋白质固定结合;小而紧凑,很少有不编码序列,一般很少有重复序列;功能相关的基因高度集中,有的构成操纵子,由一个启动子开始,转录成多顺反子mRNA,再翻译成相应功能的蛋白质。细菌质粒是独立于染色体之外的能自我复制的遗传物质,有些质粒不具有任何表型效应,多数质粒含有染色体所没有的基因,负责编码某些功能。本文细菌基因组的概念囊括了染色体和质粒。不同种细菌间基因组大小的差异在10倍以内,但不同细菌间在代谢特征、细胞构造、生活方式等表型特征上千差万别,即便在亲缘关系很近的细菌间也表现出明显的多样化特征。显然,由于细菌基因组经过长期的进化,不同细菌基因组在构造与功能上存在着明显的分化,从而为上述多样化特征奠定了遗传基础。•完整的细菌基因组进化依次包括:原始前体分子形成、基因组的原始起源、功能性染色体和质粒基因组的形成(细胞形成和物种起源)、细菌基因组的继续进化(物种分化)。本文主要讨论原始细菌功能基因组形成后的进化事件,并介绍一个细菌基因组稳定性和变异性之间动态平衡的自发调控的调控假说。一点突变与细菌基因组进化•所谓点突变是指由于细菌基因组DNA中的一个或数个核苷酸的改变而造成的DNA序列变异,包括单碱基置换、一个或数个碱基的插入或缺失。本文特指与细菌进化有关的,在细菌正常生长条件下和正常生命活动中所自发产生的并能产生表型效应的点突变。自发性点突变可以产生于某个基因的功能域,或整个基因、或由多个基因组成的功能系统,引发现有基因的修饰、失活、转录表达的差异调控等,使得细菌个体在功能性状上产生适应性变化,在自然选择压力下,那些对种群发展有利的个体得以保持下来,并经过多代遗传繁殖在种群中扩展开来,该种细菌作为一个整体达到了适应性进化的目的。自发性点突变自发性点突变不必经任何人为处理而自然发生,其发生时间和发生细胞是随机的,不同突变的发生彼此间是独立无关的,但针对某一特定细菌基因组其突变率是相对恒定的。突变随机性并不代表突变的产生是没有原因的或是不可知的,它仍然有其必然性:其一,在DNA复制过程中由于个别碱基的互变异构和环出效应造成碱基错配,产生单碱基置换;其二,内源性DNA损伤后,由于错误修复而引起一个或数个碱基的移码[9,10]。某个细菌在其漫长的进化中,基因组DNA序列中会自发产生许多类型的点突变。但某个突变的产生并不是针对细菌某个功能需要而作出的反应,也就是说,自发突变的产生并不“关心”是否会产生表型效应及所产生的表型效应对细菌本身是否有利。在自然选择压力下,只有那些对细菌有利的突变最终能够保持下来,并稳定遗传给后代,从而使该种细菌作为一个整体达到了进化的目的。从理论上看,一个点突变似乎可代表着一个功能进化步骤,并最终累积成全新的生物功能。但是,在自然选择压力下,通过自发性点突变而产生一个全新的生物功能是几乎不可能的;当然,通过众多突变的逐步积累,可以造成现有生物功能向更加有利的方向进化。比如,由一个祖系基因型abc进化至一个更有利的基因型ABC,将是一个多步突变积累进化过程,多数情况下是一次一个基因的方式,其间将出现许多进化中间体(如aBc,aBC,等等)。如果这些进化中间体比祖系基因型具有选择优势,进化步骤将进行得相当快。如果进化中间体与祖系基因型相比处于选择劣势,将需要相当长的时间才能最终完成ABC基因型完全进化。需要指出的是,虽然有时自发性点突变对细菌基因组进化来说是必须的,但细菌本身必须拥有一套修复机制使得突变率保持较低的水平,以便使细菌的遗传变异保持在一个可忍受的水平。二基因组内重排与细菌基因组进化•2.1染色体重排•在细菌长期进化中,存在着一种定向的进化推动力,使得亲缘关系相近的几个细菌种类的染色体上基因排列次序和方向具有高度的保守性,也就是说它们染色体的遗传图谱是很相似的。之所以基因排列次序是保守的,是因为染色体上各个位点均具有其独特的功能特性,直接决定着位于该位点上基因的调控特征。这并不难理解:①在染色体复制过程中,基因越靠近复制起始区,其基因剂量(genedosage)越高。如果一个基因靠近复制起始区,当复制刚开始后,在细胞中这个基因将有2个拷贝,而那些远离复制起始区的基因将一直只有1个拷贝,直至复制叉通过该基因所处的染色体位点。②在染色体的不同部分,其超螺旋密度可能不同。而超螺旋越松散,处于该区域的基因表达活性越高。那么,为什么基因排列方向又是保守的呢?在许多细菌种类中,相当一部分基因在染色体上有着固定的排列方向。当细胞中染色体复制和基因转录同时进行时,复制复合体和转录复合体能按照相同的方向在染色体上移动,以免相互“撞车”。•综上所述,单就某一特定细菌来说,在其漫长的适应性进化中,存在着一种自然选择倾向,使其基因组排列特征保持一定的稳定性,以维持该种细菌基本生物学功能的正常体现。但是事物总存在着两面性,因为细菌所处环境的变化,有时还存在着另一种自然选择倾向,它使得一些染色体重排事件(必须有利于细菌的生存繁殖)在种群中稳定遗传下来。比如,某一细菌种群所处环境要求某一基因表达出更多的产物。某些个体中染色体重排使该基因重复,自然选择压力下,这些个体将处于选择优势状态,在种群中逐渐占据绝对优势数量。相反地,如果自然选择压力要求某一基因表达产物降低,种群中将出现缺失该基因的个体,多代以后,整个种群将降低该基因产物的量。染色体重排•染色体重排是指染色体中DNA区段排列结构的变异,从而造成所载荷基因的位置、功能及相互关系的变化,最终引起细菌功能特征的变化。染色体重排主要有倒位、重复、移位、缺失等4类。倒位是指染色体上的某一区段倒转180°的重排,该区段基因总量不变,但倒位区段上基因的顺序相对于染色体其它区域来说是颠倒的。重复是指染色体上某一区段在其它位置重复出现,该区段上基因也随之增加。易位是指染色体上某一区段移至于另一位置,该区段基因总量不变。缺失是指染色体上发生断裂并丢失某一区段,该区段上的基因也随之丢失。•引发细菌染色体重排的机理分2种:①由Rec系统调节的同源重组而引发的染色体重排。细菌体内存在的Rec系统可以调节同源序列之间DNA区域的同源重组。同源序列主要是指那些多拷贝地存在于染色体上的正向或反向重复序列,包括长重复序列(如rRNA操纵子)、转座子、插入序列(IS)、短重复序列(10～100bp)等,它们对于同源重组来说是必需的。当细菌染色体复制后,在RecA蛋白作用下,存在于姐妹染色体上的正向重复序列间同源重组,导致重复序列之间的DNA区域在染色体组上重复出现。正向重复序列间的同源重组还可以分别引起移位,而反向重复序列间的同源重组则可引起倒位[12,13]。②由转座元件的转座作用而引发的染色体重排。转座元件包括插入序列(IS)和转座子(Tn)。由于转座元件的转座作用可引起倒位、重复、移位、缺失等[14]。由于转座子和插入序列可被看作是重复序列,由此可引发同源重组而导致染色体重排,注意两者的区别。细菌在其漫长的进化中,由于自然选择压力的作用,只有那些对细菌生存繁殖有利的染色体重排最终能在种群中稳定遗传下来,推动了细菌在表型特征上的进化。细菌染色体重排事件的出现的受制因素•从整个进化历史来看,细菌染色体重排事件的出现频率受制于许多因素:①首先受制于染色体上重复序列和转座子的数目和大小。多数细菌染色体上多拷贝地存在着一些高表达基因和一些插入序列。然而这些序列的相对位置将影响到那些重排事件以更高的频率发生。通常认为短重复序列间的重组和插入序列元件的移动可以增加染色体重排的种类。②其次是重组率。试验证明,在速率上,通过同源重组而重排染色体结构与通过碱基置换而改变基因组结构一样快。③最主要的制约因素是,大多数染色体重排事件均使得细菌在表型特征上对环境适应性降低,即所谓基因组适应度(fitness)降低,在适应自然选择上处于劣势,很快被淘汰,从而从总体上使染色体重排事件保持在可容忍的水平上。•比较不同细菌种类,甚至是那些亲缘关系非常相近的种类,可发现其基因组经历了多次染色体重排。显然,经过长期的进化过程,积累了许多可促进细菌物种形成与分化的染色体重排事件。然而,比较同一菌种内不同生物型和血清型,染色体重排频率明显降低。但对于那些同一病原细菌不同分离株来说例外,即重排了的基因组高频出现。病原菌侵染宿主,直接受作用于宿主的免疫系统,经受着高强度的选择压力,高频可逆的染色体重排能自发改变许多基因的表达模式,有利于细菌的侵染。需要指出的是,这里所能观察到的均是对细菌进化有利的染色体重排。2.2质粒DNA整合入染色体•细菌本身所携带的质粒在插入序列(IS)和RecA系统的调节下,同源重组而插入染色体上,从而影响后者的结构,最终导致其功能特征的变化[23]。比如,肠侵染性大肠杆菌中200kb大小的毒性质粒(决定侵染功能)即具有这种特性,该质粒偏向于插入metB基因中,导致甲烷氨酸营养缺陷型。质粒的插入影响了该质粒编码毒力因子的表达,使得细菌失去侵染性。整合后的质粒DNA可以被精确切除下来,细菌重新恢复侵染性,但非精确切除后细菌不能恢复侵染性。整合和切除的具体机理是同源重组。又如,鼠疫杆菌pMT1质粒(编码F1抗原和鼠毒素)可以多位点高频率地插入染色体中,而且毒力基因在插入位点可以正常表达,质粒DNA插入染色体后,其自我复制功能丧失,从而保证可以稳定整合于染色体中,通常将插入后的质粒DNA看作一个毒力岛。2.3质粒重排•质粒重排是指由于同源重组而引起的单个质粒内DNA的重排或2个质粒的融合,其不仅影响到基因组结构,并影响到基因的表达。如,一种产生志贺毒素的大肠杆菌中的质粒即具有这种特性,由于重排质粒在基因组成和排列上均可发生明显的变化,这种变化不仅出现在不同的血清型间,甚至出现在不同血清内紧密相关的株系之间。三基因水平转移与细菌基因组进化•基因水平转移是指基因在不同物种、同一物种的不同株系(品系)之间的水平转移现象,被转移的基因由供体细胞进入受体细胞内,能够正常遗传和表达其功能。与之对应的是基因在亲代和子代之间的垂直遗传。对于真核生物来说,染色体同源重组是有性繁殖过程的一个有机组成部分,可以高效介导同一物种间的染色体遗传物质的交换。但细菌是无性繁殖的单倍体生物,细菌种群内染色体的同源重组几率很低。基因水平转移是细菌(不同菌种之间、同一菌种不同株系之间、甚至由其它物种转移至细菌)遗传物质交换的主要策略。细菌通过基因水平转移获得外源基因,自然选择压力下,对细菌适应性进化有利的水平转移事件最终在种群中稳定保持下来,带来新的生物学性状,直接表现在种间种内分化、生境适应、耐药性产生蔓延、毒力进化等细菌表型进化结果上。•水平转移入细菌的基因主要分两大类:其一,供体基因与受体菌中相应基因是同源的。供体生物与受体菌之间系统发育距离越远,基因水平转移的可能性越低。多数情况下通过同源交换完成基因转移,可增加供体生物与受体菌之间的遗传相似性。其二,供体基因对受体菌来说是全新的。这类转移事件的发生可以给受体菌带来全新的生物学性状,促进受体菌的快速适应性进化。但这些基因是随机分布在不同细菌中的,不能被用来建立不同细菌之间系统发育的亲缘关系。3.1基因水平转移的基本特征•一旦某个基因通过水平转移方式由供体生物(多数情况下是细菌)进入受体细菌,那么该基因所决定的生物学性状在这两个本不相干的株系或物种之间是高度相似地表现出来。当然,DNA序列和蛋白质序列也是高度相似的。从系统发育的角度来看,一次基因水平转移事件只能将供体基因引入一个株系或菌种中,所获得的生物学性状将只出现在受体株系或菌种的后代中,从而使该株系或菌种后代从相关发育系统介元中分化出来,产生一个相对独立的