复杂性是水平基因转移的障碍

　　基因进行水平基因转移的能力受到产生的蛋白质相互作用伙伴数量的影响。

　　

对水平(或横向)基因转移(HGT/LGT)现象的认识彻底改变了我们对进化机制的理解。与传统的基因从亲本到后代的垂直传递不同，HGT涉及遗传物质的横向交换，跨越物种边界。这一过程是微生物进化的主要贡献者，占大多数细菌基因组中蛋白质编码基因的10-20%，而HGT在真核生物中不太普遍。通过HGT，细菌和古细菌可以获得新的性状，从抗生素耐药性到代谢能力，这增强了它们适应不断变化的环境的能力。在《基因组生物学与进化》的一项名为“复杂性限制水平基因转移的经验证据”的新研究中，由克里斯蒂娜·伯奇和科尔宾·琼斯领导的北卡罗来纳大学的研究人员调查了影响个体基因通过HGT转移到新受体菌株的能力的因素。他们的研究表明，一个基因的可转移性受到几个因素的影响，包括它与受体的序列差异，以及产生的蛋白质有多少相互作用的伙伴(即它的连通性)。此外，基因的分化和连通性相互作用，进一步影响其可转移性。

虽然以前的研究已经观察到基因可转移性和蛋白质连接之间的关系，但科学家们对这种联系背后的机制感到困惑。人们提出了两种可能的假说:平衡假说和复杂性假说。“平衡假说”认为，新转移的基因可能通过破坏表达蛋白之间的平衡而导致基因失调，而“复杂性假说”则认为，新转移的基因可能无法参与正常的蛋白-蛋白相互作用。重要的是，虽然供体和受体菌株之间的差异不应该影响前者的过程，但它预计会影响后者，因为更不同的蛋白质更有可能经历蛋白质-蛋白质相互作用的失败。因此，分化倾向放大连通性对可转移性的影响，可以用来区分这两种假设。

为了理清这些机制对HGT的影响，Burch和他的同事们用一种新的方法重新分析了旧的数据。一些最早的细菌和古细菌基因组测序使用的方法是将感兴趣的基因组片段化，并将每个片段整合到细菌质粒(一小段环状DNA)上。然后将质粒克隆到大肠杆菌中，大肠杆菌将繁殖并产生更多的质粒拷贝，用于随后的霰弹枪测序和组装。15年前，在《科学》杂志上发表的一项研究中，Rotem Sorek和他的同事们认识到这些文库可以用来评估基因通过HGT的可转移性;他们发现某些基因是“不可克隆的”，这意味着它们不能通过质粒从宿主微生物转移到大肠杆菌中。Burch和她的合著者使用了一个类似的数据集，其中包括70种细菌和4种古细菌，但对可转移性进行了定量分析，使用测序覆盖率作为代理，表明每个基因转移到大肠杆菌中的容易程度。

最初，伯奇和她的合作者注意到数据中存在明显的偏差，基因的长度和位置都会影响其覆盖范围。根据Burch的说法，“我们注意到的第一件事是，在一些霰弹枪文库中，基因组复制起点的读取覆盖率显著高于末端。当然，如果你知道活跃生长的细菌在起源处启动了许多复制分叉，这就说得通了。有了这些细菌生理学的知识，我们可以推断，一些鸟枪文库是从活跃生长的细胞中分离出来的基因组制成的，而另一些则是从不活跃生长的细胞中分离出来的基因组制成的。尽管细菌生理学的这一特定方面与我们开始回答的问题无关，但我们能够看到它对霰弹枪库数据的影响，在早期阶段让我确信，我们感兴趣的生物信号也可能是可检测的。”换句话说，这些数据表明，研究人员将有能力在影响HGT的变量中发现模式。

在纠正了与细菌生理学相关的偏差(即在活跃生长的细胞中频繁启动复制)之后，作者研究了基因可转移性(通过测序覆盖率估计)与可能影响HGT的几个因素之间的关系，包括基因功能、蛋白质连接、供体物种与大肠杆菌之间的差异以及大肠杆菌中原生基因的表达水平。重要的是，他们发现分化和连通性之间存在显著的相互作用，这支持了复杂性假说，并表明转移基因参与正常蛋白质-蛋白质相互作用的能力在HGT的成功或失败中起着关键作用。

除了这些发现之外，本研究的一个重要贡献是开发了一种能够评估复杂性假设的统计检验。伯奇指出:“在这项工作之前，复杂性假设只使用口头论证来描述。我认为将假设转化为具体的统计检验是向前迈出的重要一步。事实上，我们可以对现有的基因组数据进行统计测试，这是锦上添花。我们非常感谢Sorek团队的领导。”

这种分析的一个警告是，所有研究的基因都在质粒(即染色体外DNA)上，用于将它们转移到受体细胞中。当基因直接转移到细菌或古细菌染色体上时，可能会观察到不同的动态。伯奇说:“最终，我们希望更好地理解将转移基因整合到受体基因组中的后果。”“现代基因组测序技术使得利用微生物进化实验来研究这个问题成为可能，已经完成了一些实验，但还需要更多的数据。”此外，目前的分析必然局限于已经存在于大肠杆菌基因组中的基因。“我们也想更好地理解受体细胞中不存在的新基因或辅助基因的水平转移，”Burch继续说。“这些基因与复杂性假说无关，因此这一研究有待于未来的工作。”

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Empirical Evidence That Complexity Limits Horizontal Gene Transfer