细菌基因水平转移综述范文 第一篇

HGT的存在可能是由于其对基因组变异模式的影响。这些影响包括与遗传距离联系的衰减或新基因的插入，可能被已知的有助于移动的基因（如来自噬菌体的基因）所包围。然而，推断HGT事件是否经历了选择是一个完全不同的挑战，而不仅仅是量化HGT。选择和HGT可能以多种方式相互作用，产生独特的特征，如特定基因的多样性减少，远距离SNPs之间意想不到的高连锁不平衡，在特定的基因功能类别中对重组事件的过度描述，或者在注释的基础上对与生态相关的基因的转移率增加（所有这些都将在后面讨论）。了解这些相互作用和它们产生的信号有助于利用基因组数据来理解微生物的生物学，例如，通过识别获得的DNA在受体中具有有益的目的。其中一个例子涉及到通过在人类肠道内细菌和古生菌之间转移碳水化合物活性基因的趋同进化。诸如此类的生物信息分析对于研究在实验室中很难重建其自然栖息地的许多细菌（以及它们所经历的选择压力）尤为重要，因此无法严格推断基因型和适应度之间的关系，以确认HGT导致了适应性。

选择可以解释我们所观察到的大部分HGT变异，特别是在有效种群规模（Ne）很大的细菌中。然而，对于观察到的HGT事件的适应度效应，以及大多数HGT事件是否对受体细胞有益、中性或甚至有害，仍有许多争论，尚未被选择性淘汰。这种争论以不同的形式，从分子群体遗传学的开端就一直在进行。尽管如此，在过去的十年中，由于基因组数据集的丰富，以及新的群体遗传理论，已经有了许多进展，为重组和积极选择如何相互作用形成细菌基因组提供了诱人的线索。在接下来的章节中，我们将讨论选择和重组背后的进化直觉，以及它们如何一起在细菌基因组中留下可检测的特征。虽然我们讨论的大多数概念可能同时适用于AT和GT，但我们将重点讨论GT，GT最近取得了许多进展，与SNPs或AT重组相比，它可能对适应度有更大的影响（积极和消极的影响）。

细菌基因水平转移综述范文 第二篇

当DNA穿过细胞膜并重新结合到细菌基因组中时，它的存在可以通过取样基因组中留下的几个可预测的特征之一来检测（图2），这些标记取决于DNA转移的机制。开发了许多方法来检测和量化AT（BOX1）或GT（BOX2），重组的遗传特征在很大程度上取决于供体DNA是来自同一群体还是来自分化群体，是否与受体同源位点长度相同，是否为MGE。

如果重组涉及到AT和来自同一群体的供体DNA，它可以通过将突变转移到不同的遗传背景上来打破突变之间的联系（图2a），特别是在基因组中距离足够远的突变之间，因此没有转移到同一DNxxx段上。如果这个供体DNA来自一个已经积累了许多差异的遥远种群 (或物种)，AT可能通过引入新的突变簇来增加联系（图2b）。例如，N. gonorrhoeae的mtr外排泵操纵子含有最近与几个近亲重组而产生的分化的大环内酯抗性（macrolide­resistance）等位基因。随着时间的推移，新引入的单核苷酸多态性（SNPs）之间的强联系可能会被随后在群体中的AT打破。因此，较老的SNP通常以更高的频率出现在样本中并出现在谱系的内部分支上，通常会比年轻的SNP表现出更少的连锁，因为重组有更多的时间将它们转移到不同的遗传背景上。或者，年轻的 SNP 在样本中通常很少见，并且出现在谱系的顶端。

由于其复制-粘贴式的机制，细菌重组可能在群体中产生由短片段相同的等位基因组成的单倍型结构。这些片段相同是特别短暂的，代表了进化上最近的转移，因为随后的突变或重组将引入变异，并将较长的单倍型打破为较短的单倍型。因此，表现出强烈倾向于片段相同的细菌样本可能代表了目前交换DNA的生态种群；该信号检测了三个模型系统（Vibrio、Sulfolobus和Prochlorococcus）的种群结构，这些模型系统此前已通过环境、生理和基因组信息显示正在经历物种形成。

如果供体DNA的序列与受体基因组中的某个位点同源，但长度不同，则可以插入新的供体DNA或删除受体DNA（图2c）。GT的这个过程可以包括整个基因的获取或删除，并塑造副基因组的大小和变异，其中包括仅存在于一小部分采样分离株中的基因（该物种的全部基因称为“泛基因组”）。为了在受体中获得基因，必须导入整个基因序列。然而，长片段的DNA可能在运输过程中不能保持完整，变成碎片，特别是在转化过程中暴露在恶劣的细胞外环境中。这种倾向于较短的供体DNxxx段的倾向会增加重组导致缺失的可能性，例如自身的MGEs被切除（图2e）这可能会导致细菌中众所周知的缺失偏倚。

或者，MGEs可能在插入时引入基因（图2d）。这些片段可能包括一些编码特定功能的基因（例如selfish operons），使未来的基因移动或积极影响接收者的适应性。此外，盒式基因可能包括DNxxx段，以减轻插入受体基因组的影响，以避免破坏局部基因功能（例如，DNxxx段包含新的启动子或基因的5 '开始或3 '结束序列）。例如，Vibrio splendidus中的一个MGE插入基因mutS中，但包含了一个新的翻译起始序列和保留mutS功能的启动子。尽管如此，一些MGE的插入确实会破坏基因，它们将自己插入基因组的位置和方式不仅取决于插入序列，还取决于选择，这两者都决定了HGT热点的位置。转座因子（Transposable element）是一种特殊的MGE，它在序列的两端都有反向重复序列，可以在基因组中增殖，通过重复之间的重组催化大规模的重排或删除，特别是在最近的宿主限制物种，比如琵琶鱼的生物发光细菌共生体。综上所述，HGT可以通过重塑连锁模式和改变基因内容对细菌基因组结构产生重大影响，这些影响为自然选择提供了原料。

细菌基因水平转移综述范文 第三篇

是什么：HGT是单链或双链DNA从一个细胞转移到另一个细胞的过程。5,6

重要性：HGT对细菌基因组的可塑性起着重要作用。它对进化和适应非常重要，例如通过毒力基因和AMR决定因素的转移。7

工具：HGT主要涉及隐藏在移动遗传元件（MGEs）上的基因，如质粒和转座子。然而，在狭义定义中不是MGEs的遗传元素，例如整合子，可能有助于AMR的传播。

三大机制：细菌种群之间的基因转移主要由三个主要的规范机制控制：自由DNA的转化;噬菌体转导;涉及质粒和整合共轭元件（integrative conjugative elements ,ICEs)的接合,==[图1]==。8这些过程已在许多文章中详细描述，9,10

所有整合素的一个决定性特征是编码位点特异性酪氨酸重组酶的整合酶（intI），它可以切除基因盒并将其整合到整合体中。34基因盒从一种细菌转移到另一种细菌的确切机制仍有待了解。

细菌基因水平转移综述范文 第四篇

另一种研究辅助基因进化的方法不是在单个物种中，而是在细菌群落中，这代表了一个个体物种可能获得新基因的更广泛的库。在这个尺度上，附属基因在共享一个环境的不同物种之间频繁转移的观察表明，在共同的选择压力下，这些基因在不同物种中的共存不能用地理或进化史解释（因为相关物种通常有相似的基因）。假设地理坐标是细菌细胞之间物理距离的合理度量，但环境类型（例如，哺乳动物肠道与土壤）可能在很大程度上决定一个特定细菌群落的细胞是否彼此靠近，这是HGT的必要条件。因此，尽管这个群落中的物种肯定会拥有并交换使它们能够适应共享环境的基因，但它们继续与其他物种共存将促进全基因组的HGT，包括那些与共享环境无关的基因。

虽然物理上的接近可能部分解释了观察到的这些转移基因与特定环境之间的关联，但对于GT事件的选择性好处，诱人的证据来自于对物理距离的仔细控制，以及这些基因反映已知环境压力的功能。虽然他们没有提供HGT的明确基因组证据，但研究人员通过控制与同一宿主的其他身体部位的物理距离，发现了在人类肠道中特别富集的基因。如果没有这种控制，肠道内物种间普遍存在的基因可能只是与那些促进传播或适应许多不同环境的基因相对应（例如，与休眠和产孢有关的基因）。从肠道中特异性分离出来的厚壁菌门成员在胆汁酸7α -脱水酶中富集，而胆汁酸是脊椎动物胆固醇代谢的产物，在肠道环境之外不太可能遇到。 另一组同样研究了人类肠道微生物群，并提供了证据，证明肠道中遇到的独特的选择压力塑造了细菌群落的移动基因库。有趣的是，他们发现大多数肠道样本中的移动基因（~99%）是几乎从未在同一个人的唾液样本中发现。总之，在群落水平上通过功能基因集合的趋同来进行选择的证据，可能会阐明辅助基因对该群落中的特定物种的益处。

细菌基因水平转移综述范文 第五篇

抗菌素耐药性（AMR）在致病细菌中的出现和传播对公共卫生构成了一场日益加剧的危机。在医药和畜牧生产中增加使用和滥用抗菌素所造成的选择压力加速了耐药细菌的总体选择。此外，水平基因转移（HGT）在抗性基因的传播中起着重要作用，例如将AMR的储库从共生细菌动员到致病性细菌中。除抗菌功能外，抗菌剂还会导致微生物种群的不良影响，包括刺激HGT。本叙述性综述的主要目的是概述目前关于抗菌素对细菌HGT影响的知识，包括转化，转导和接合的影响，以及其他研究较少的HGT机制。人们普遍认为，接合在抗菌素耐药性在细菌中传播中起着重要作用，因此，本综述的重点主要放在抗菌治疗影响这一过程的证据上。到目前为止，HGT的其他机制在这方面被认为不那么重要;然而，最近的发现表明，它们的作用可能比以前认为的要大，并且该综述提供了关于抗菌治疗对这些过程的影响的目前相当有限的知识的最新情况。该评价得出的结论是，迫切需要调查抗菌素诱导的HGT的机制，因为这对于制定抗微生物药物耐药性传播的新策略至关重要。

细菌基因水平转移综述范文 第六篇

如果对生态位的适应涉及单个位点，那么如果生态位之间发生重组，而选择保持了环境间的适应性差异，则可能出现生态位内的基因特异性移动（图3b）。如果适应涉及到两个位点，从两个微环境中取样的细菌基因组（研究者可能不知道）可能比随机位点更经常地揭示基因组xxx存的成对等位基因或基因。然而，由于许多细菌物种具有高水平的全基因组连锁，在细菌中检测这些具有生物学意义的共发生位点可能是困难的，使得区分有意义的生物信号和噪声是困难的。然而，新的多位点分析旨在通过设计创造性的方法来控制细菌中连锁的背景水平，来检测这些共同进化的突变对或基因。例如，研究人员使用基因座之间的相互信息（另一种量化连锁的方法）移动肺炎链球菌（S. pneumoniae）基因组，寻找协同进化的基因座，并发现了三个青霉素结合蛋白之间的显著相关性，所有这些蛋白都需要修饰以实现对β -内酰胺抗生素的高水平耐药性。重要的是，这些方法主要用于检测重组细菌中的协同进化位点。对于高度克隆的物种，与随机选择的位点对相比，共同进化位点可能表现出相似的连锁水平。

细菌基因水平转移综述范文 第七篇

共轭转移需要编码转移机制的基因进行协调的时空转录，这些基因的表达水平往往与转移频率密切相关。93作为抗生素治疗下可能导致接合频率增加的可能机制的第一条线索，抗生素的亚抑制浓度已显示可将转移相关基因的表达增加2至80倍，90-92，这已在转录水平76、82、83、90、92和蛋白质水平上显示出来。92

目前，有两种假定的机制被提出： （i）整个细胞对抗菌处理的反应； （ii）接合子的生长优势。

Beaber等人61发现，SOS反应介导了抗生素诱导的HGT。SOS反应由LexA（SOS阻遏物）和RecA（SOS诱导物）蛋白质控制。RecA的辅蛋白酶活性促进LexA蛋白的自切割，导致SOS反应的诱导（图4）。94,95在大肠杆菌中，环丙沙星暴露可激活SOS反应，根据当前模型，这可通过刺激其自动清除，促进SetR（一种由SXT（霍乱弧菌衍生的ICE）编码的阻遏物）的失活。这减轻了对SetC和SetD的抑制，SetC和SetD是SXT转移的激活剂，增加了SXT转移所需基因的表达，从而增加了大肠杆菌和霍乱弧菌的转移频率。61,96 ICEs ICES197,98和ICESt399的切除和转移也被证明受全球DNA损伤反应的调节。环丙沙星诱导的质粒接合转移在其他研究中已有描述；90,91 然而，最近的一项研究表明，质粒转移的增加并不是由SOS反应直接引起的，因为接合效率与SOS反应基因的上调无关。90此外，这可能不是唯一的机制，因为最近的研究表明，头孢噻肟诱导的、大肠杆菌中增加的pTF2接合转移并不涉及SOS反应，因为在头孢噻肟治疗期间，蛋白质组中没有SOS反应基因上调。91,92

许多细菌，包括致病细菌，能够通过称为群体感应（QS）的过程，通过信号分子进行细菌“细胞间”通信。101,102信号传导通过信号分子发生，例如大肠杆菌中的自身沉降器-2（AI-2）和其他变形杆菌中的酰化高丝氨酸内酯（HHL）。103,104最近的一项研究发现，低浓度的庆大霉素会抑制铜绿假单胞菌中的QS并促进接合。76其机制似乎是庆大霉素暴露抑制了与QS AHL信号分子的产生相关的lasl和rhll的转录水平，并显着增强pUCP24T质粒从大肠杆菌到铜绿假单胞菌的接合转移（图4）。这背后的确切机制仍然需要确定。

临床环境中AMR基因的水平转移主要通过偶联发生，但其他转移系统（如转化和转导）也是AMR基因传播的重要贡献者。10目前，大多数关于抗菌治疗对HGT影响的研究都集中在接合过程上。各种各样的抗菌素、MGE、细菌菌株和耐药基因已被用于确认抗生素诱导的偶联。然而，大多数这些关于抗菌治疗如何影响接合转移的这些研究的一个主要局限性是，转移实验的实验室方案在转移后维持了抗菌治疗。这使得不可能将增加的共轭转移与转接合体的选择性生长优势分开。最近，精心设计的定量研究，其中这两个因素可以分开，得出的结论是，抗菌处理可能导致转移机制的上调，这导致转移事件的数量增加。此外，其中两项研究显示，环丙沙星诱导ESBL质粒pTF2以及庆大霉素耐药质粒pUCP24T的接合转移，揭示了一种抗菌剂可导致基因转移，从而对其他抗菌药物产生耐药性。90,91尽管如此，这些研究仅针对有限数量的细菌种类和抗菌剂进行。

细菌基因水平转移综述范文 第八篇

抗菌素(antimicrobials)是杀死或抑制人类和动物细菌的重要救生药物。毫无疑问，抗菌素挽救了无数细菌感染者的生命，促进了经济发展。1然而，随着抗菌素的使用增加，抗菌素耐药性（antimicrobial resistance,AMR）不断产生，多样化并迅速传播。抗菌素耐药性的破坏性影响已经在世界各地显现出来。据估计，在全球范围内，抗微生物药物耐药性感染每年至少导致70万人死亡，据预测，如果不扭转这一趋势，到2050年，抗微生物药物耐药性每年将导致至少1000万人死亡，并造成高达100万亿美元的损失。2

了解细菌如何在临床和畜牧生产环境中获取和传递耐药性基因，以应对AMR日益严峻的挑战至关重要。AMR基因可以在细菌分裂时垂直转移，也可以通过水平基因转移（HGT）从一种细菌到另一种细菌横向转移。HGT允许微生物物种从其克隆谱系之外获得新的遗传物质，这在细菌中AMR基因的获取，积累和传播中起着深远的作用。3 人们越来越担心抗微生物药物的存在会进一步诱发HGT[4]，从而使抗菌素耐药性增加。当细菌面临由抗菌素诱导的强大选择性压力时，耐药细菌种群的规模会增加，因为它们可以胜过敏感的细菌。因此，AMR基因的水平获得为细菌的适应性迅速增加创造了可能性，否则这些细菌对治疗很敏感。HGT传统上被视为独立于治疗的随机事件。然而，越来越多的证据表明，在某些情况下，抗菌治疗可能直接影响HGT机制。 在本综述中，我们概述了抗菌素施用如何影响抗菌素耐药性通过HGT在细菌之间的传播。

细菌基因水平转移综述范文 第九篇

转座是指转座子、整合子在质粒之间或质粒与染色体之间的自行转换现象：转座子、整合子通常都携带有完整的基因片段，如大肠埃希菌的ST肠毒素，而另一些转座子、整合子的中心序列则带有一种或多种耐药基因。转座子宿主范围广，可在G+菌和G —菌之间转移。因此，通过转座方式使耐药基因增多是造成多重耐药菌的重要原因，并易在细菌间传播和造成医院内外的感染流行。

基因水平转移在增加菌种的遗传多样性及使受体菌获得新的生物学性状（如毒力、耐药性）起着重要作用。基因水平转移具有连续性、非复杂性、非特异性、受环境影响等特点，因此在抗菌药物滥用的今天，人们在使用数以百计的抗生素同时也在为源源不断的生产耐药菌制造环境，耐药菌对于地球人来说已经成为具有灾难性威胁的噩梦般的微生物。

当我们头上被雾霾笼罩时，脚下的大地也在塌陷——人类不合理的抗生素使用招致了超级细菌的反噬，那将同样是一场巨大的灾难。今天，“超级细菌”带给我们的不该仅仅是恐慌，更多的应当是警钟长鸣。

细菌基因水平转移综述范文 第十篇

一旦DNA进入受体细胞，它可能会重组到细菌基因组中，并与之一起复制。在很大程度上，外来DNA重组成基因组的确切方式很大程度上与它穿过细胞膜的方式有关（图1）。

整合可能是通过无处不在的蛋白质RecA来完成的，它介导了一种通用的DNA交换机制，需要在两个区域接近完整的序列识别。RecA介导的对同一基因或基因组区域等位基因的置换被称为“同源重组”，以反映被置换的内容。然而，RecA对两侧DNA物理交换区域之间的序列是“盲目的”，可能整合来自不同物种或完全非同源基因的不同等位基因。一个简单的例子是肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）荚膜位点的转移。这种多样化的操纵子编码围绕细胞的多糖并决定细胞的血清型，它包含不同血清型的不同基因，其中许多基因与其他荚膜基因座中的基因不同源。然而，通过同源重组的荚膜转移已被经常观察到。因此，我们区分了导致等位基因转移（AT）的重组，即一个等位基因被另一个替换并且染色体 DNA 没有获得或丢失，以及基因转移（GT），即基因组中基因的数量或类型被改变。

除了RecA介导的重组外，移动遗传元件（MGEs），如整合性接合元件或噬菌体可能使用位点特异性重组酶或转座将自身插入细菌染色体。一些重组酶或转座需要供体和受体在一个4-12-bp的基序上具有序列一致性，随后MGE将自身插入其中。例如，铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中ISPa11插入序列的转座酶专门针对一个12 bp的基序，每个基因组中大约有三分之一的位点被一个MGE所占据。其他重组酶和许多转座酶具有很少或没有序列特异性，因此可能插入不同的位置。或者，如果染色体中已经存在相似的序列，MGEs可能通过RecA介导的重组整合到细菌染色体中，这是一个经常观察到的过程。因此，尽管在供体和受体中存在基序或短相似序列有助于外源DNA整合到新基因组中，但HGT仍可能转移对细菌基因组具有不同结构影响的分化等位基因或新基因。

细菌基因水平转移综述范文 第十一篇

伟大的进化生物学家约翰·梅纳德·史密斯曾经说过：“对于所有相信自然物种存在的哲学家，所有相信系统发育分类的普遍有效性的遗传分类学家，以及所有的表型学家，无论他们相信什么，研究一个分类单元的遗传和表型变异（如Neisseria）都应该是必须的”。这样的劝告是由于出现的证据表明的，在Neisseria属中（包括重要的病原菌Neisseria meningitidis和Neisseria gonorrhoeae），遗传物质的水平遗传是很常见的。这意味着细胞不仅可以垂直地在分裂时遗传DNA，还可以从其他更遥远的血统，甚至在已命名的物种之间遗传。尽管水平基因组交换在有性繁殖的真核生物中发生的频率与遗传交换不同，但随着时间的推移，这个过程仍然产生了来自许多不同血统的等位基因的嵌合基因组。在梅纳德·史密斯的评论发表20年后，得益于现代基因组学，我们对显著的水平基因转移（HGT）的程度有了更多的了解，我们认为，他的建议不仅仍然适用，而且值得更广泛的受众。

HGT涉及从一个细胞到另一个细胞的所有遗传物质转移，但在本综述中，我们重点关注整合到受体染色体的转移。HGT与突变、遗传漂变、选择和扩散一起，是细菌进化的支柱。它可以通过多种机制发生，其中一些转移约300 bp的小DNxxx段，另一些则一次转移多个基因。由于这些机制及其使多样性民主化的能力，HGT对细菌基因组产生了多种后果，从改变基因之间的系统发育信号，到通过少量重组事件促进适应进化到新的生态位。

HGT的早期研究集中在管家基因的变异上，并量化了物种内部（而不仅仅是物种之间）重组的显著变异。在过去十年的基因组时代，人们不仅致力于检测重组，还致力于了解HGT和选择之间的相互作用，以及这种相互作用如何在细菌基因组中留下可检测的适应特征。越来越多的人不仅致力于检测重组，还致力于理解HGT和选择之间的相互作用，以及这种相互作用如何在细菌基因组中留下可检测的适应特征。这些努力包括基因组学，以确定对环境有益的特定水平转移基因，或确定选择是否是塑造物种整个泛基因组的主导力量。理解和识别适应性HGT的这些特征是反向生态学方法的一个组成部分。

在这篇综述中，我们首先简要地探讨了DNA在细胞间转移并整合到基因组中的机制。然后，我们讨论了在细菌基因组中检测HGT的多种方法，以及用于推断作用于转移DNA的选择力的方法和基础理论。我们讨论的大部分内容也适用于古细菌基因组的研究，但我们的回顾和例子主要集中在细菌上。

细菌基因水平转移综述范文 第十二篇

为了检测基因转移，人们可以简单地识别出一小部分样本中的DNA，并将这种变异分为基因获取或缺失。这种分类需要事先了解基因的原始状态（存在或不存在），这可以通过比较存在或不存在的模式与样本潜在的克隆系统发育推断出来。然后，基因获取可以与通过简约性来区分的缺失，或者通过一个基因在整个系统发育过程中的可变存在是否更简单地用较少的基因缺失或较少的水平基因转移（HGT）事件来解释。如果样本由不同物种组成，则通常使用缓慢进化的核糖体RNA序列（例如，16s，很少重组）重建克隆系统发育。这种方法将检测更早的和更近的HGT事件，但这种技术的变体被开发用于通过扫描遥远物种的基因组（具有不同的16s核糖体RNA等位基因）来特异地检测进化中最近的基因获取，以获得高度相似的移动基因副本，并观察这些基因是否存在于一个物种的多种背景中。

或者，如果一个样本由密切相关的物种组成，16s序列可能不能表现出足够的变异来重建克隆系统发育和可靠地区分物种。因此，人们也可以使用进化更快的基因组变异（例如，核心基因组），但需要注意的是，这种变异本身可能会受到重组的影响，可能会导致高估HGT。

转移的其他证据可能来自于这些具有非典型G+C含量、密码子使用模式或与全基因组平均水平不同的k-mer标记的基因，但并非所有转移都将显示这些特征。