基因橫向轉移在細菌進化中的作用

王磊 劉斌（南開大學天津300071）

基因橫向轉移在細菌進化中的作用

王磊 劉斌（南開大學天津300071）

生物進化研究處于生物科學體系的核心和前沿。自達爾文創立進化論以來，隨機突變一直被認為是進化的動力，基因橫向轉移在進化中的作用和發生機制是近年來生物進化研究中的難點。在項目研究過程中創新研究方法，探索極端環境細菌重要功能和細菌表面多糖抗原的進化規律，研究基因橫向轉移的作用和發生機制。項目完成對認識生物進化具有重要科學意義，對微生物遺傳育種、新發病原體防控等具有重要應用價值。

基因橫向轉移細菌進化

生物進化研究處于生物科學體系的核心和前沿。自達爾文創立進化論以來，隨機突變一直被認為是進化的動力，基因橫向轉移在進化中的作用和發生機制是近年來生物進化研究中的難點，“基因橫向轉移為什么及如何在眾多物種間發生？（Why does lateral transfer occur in somany speciesand how？）”被Science列為需要解決的125個重要科學問題之一。由于研究難度較大，研究人員較少，關于基因橫向轉移的作用和機制的論文也較少。

無法有效發現受體中的橫向轉移片段、無法溯源供體研究發生機制、橫向轉移基因功能未知而無法研究其作用成為該問題的主要研究難點。代表著生命對環境極限適應能力的極端環境細菌和具有自然界中最豐富生物多樣性之一的細菌表面多糖抗原，是研究這一問題的良好材料，只是相關研究尚處起步階段。我們自2002年開始，創新研究方法，探索極端環境細菌重要功能和細菌表面多糖抗原的進化規律，研究基因橫向轉移的作用和發生機制。通過基因組和比較基因組學方法，發現和鑒定了大量受體中的橫向轉移片段；通過比較基因組學和多糖結構分析相結合的方法，在具有相似多糖結構的細菌中溯源獲得了部分橫向轉移片段的供體信息，并研究了橫向轉移發生機制；通過功能基因組學和生物化學方法研究相關基因功能，在遺傳事件和功能改變之間建立聯系，并研究了橫向轉移的作用。本項目對認識生物進化具有重要科學意義，對微生物遺傳育種、新發病原體防控等具有重要應用價值。

2002年至2008年2月，本項目共在SCI刊物發表論文40篇（影響因子大于3.0的18篇），他人正面引用296次。8篇代表性論文（王磊教授均為通訊作者）他人正面引用154次，其中28次被Nature Reviews Microbiology等國際權威刊物的綜述性文章正面評論。獲31項發明專利授權。獲2007年天津市自然科學一等獎和2009年第二屆談家楨生命科學創新獎。

1 項目的主要研究成果

1.1 首次揭示了細菌長鏈烷烴降解途徑和關鍵酶的功能，發現了一株重要石油降解細菌，適應油藏環境最關鍵的烷烴降解能力的進化形成是由基因橫向轉移介導的

石油微生物在高溫、低氧的油井中生存，以烷烴等石油成分為唯一營養源。石油微生物，尤其是降解長鏈烷烴的菌株，在石油開采和污染治理領域具有重要應用價值。目前對石油微生物的研究主要集中在菌種的分離，而對其降油的分子機制及進化途經的研究基本是空白。我們從大港油田分離到一株具有專一降解長鏈烷烴能力的革蘭氏陽性嗜熱細菌——NG80-2。綜合運用基因組學和功能基因組學方法，分析了該菌株降解長鏈烷烴、適應油藏環境的分子機制以及進化途經。

基因組學研究發現NG80-2攜帶的土壤菌是典型的代謝纖維二糖、木聚糖等植物多糖來源的基因，并且這些基因沒有在最近發生基因橫向轉移的痕跡；同時NG80-2具有土壤菌典型的代謝途徑，包括20種必需氨基酸的合成途徑等，表明NG80-2起源于土壤菌。

結合基因組學、蛋白質組學、熒光定量PCR、體內功能互補及體外酶學方法，首次在國際上鑒定了長鏈烷烴降解途經及編碼基因。解析了該途徑中的關鍵蛋白——長鏈烷烴羥化酶（LadA）的結構和作用機理。LadA為目前已知的降解烷烴碳鏈最長（C15－C36）的羥化酶，與已報道的中短鏈烷烴羥化酶相比具有更廣泛的應用價值。功能研究發現LadA對長鏈烷烴分子的捕獲和結合是整條降解途徑中的關鍵步驟，直接決定著細菌可降解烷烴碳鏈的長度。

發現ladA在過去不太長的進化時間內通過基因橫向轉移進入NG80-2，結合該菌中其他烷烴降解相關基因，從而形成了該菌降解長鏈烷烴的能力。因此，ladA通過基因橫向轉移進入NG80-2是其從土壤菌進化為石油降解菌的關鍵步驟。

成果于2007年在PNAS上發表，并入選當年“中國高等學校十大科技進展”。同年10月Nature系列期刊的Nature Reviews Microbiology在其《新聞與分析》News&Analysis欄目用半頁的篇幅整體性評論介紹了該成果：“基因組學分析發現了對于NG80-2菌株適應油藏環境具有重要作用的一系列基因；發現獲得一個來自質粒的烷烴單加氧酶基因ladA（編碼的蛋白催化烷烴降解途徑的第一步反應）是NG80-2形成長鏈烷烴降解能力的關鍵；NG80-2靈活的呼吸系統有益于其生存；NG80-2基因組上具有的許多編碼序列（包括一系列多糖的降解基因和一個植物來源木聚糖的代謝基因簇等）表明其起源于土壤菌”，“微生物用于環境污染物的生物修復是研究熱點”，“NG80-2菌株分離自中國油田地下深層油藏環境，可以在有氧環境下利用C15-C36的長鏈烷烴作為唯一碳源；烷烴作為石油的主要成分，是石油污染生物修復的主要靶標”，“LadA蛋白由于具有氧化難以降解的長鏈烷烴的能力，因此在生物修復方面具有重要應用價值”等。

美國發行量排名第3的The New York Times 2007年3月20日在其科學新聞中的《觀察站》欄目以“喜歡吃石油的細菌”為題報道了該成果。指出“中國南開大學的科學家獲得了一株可以‘吃石油’的細菌的全基因組，并發現了負責降解長鏈烷烴的關鍵酶LadA，LadA可用于石油泄漏的清理”。

1.2 比較基因組學分析了一株可在極端酸性條件下降解甲烷（第二主要溫室氣體）的細菌，發現了基因橫向轉移推動了變形菌門之外該株新型甲烷氧化菌的進化形成

甲烷是第二主要溫室氣體，極酸性地熱環境是大氣中甲烷的主要來源之一，微生物降解是甲烷分解的主要途徑。以前普遍認為只有變形菌門（Proteobacteria）中的一些菌株具有甲烷代謝相關基因，但這些菌株只能在中性或中度酸性的環境生長。變形菌門之外是否存在甲烷氧化菌，如存在它們是如何獲得甲烷氧化能力成為目前的研究熱點。

該工作分離到可在pH值為1.5的極端酸性環境下降解甲烷的菌株V4，通過基因組測序、比較基因組學和進化分析，確定該菌為疣微菌門（Verrucomicrobia）細菌。該成果獲得了疣微菌門中第一個完整基因組序列，比較基因組學工作發現V4全部編碼蛋白中的23%（包括甲烷單加氧酶等參與甲烷降解途徑的酶）與進化關系較遠的變形菌門細菌的編碼蛋白相似性最高，表明V4與變形菌門中的甲烷氧化菌等遠緣菌之間在很久的進化時間之前發生了大量基因橫向轉移事件，這些事件是V4獲得甲烷降解能力和完整細胞功能的動力。

發現V4具有3個不同的編碼甲烷單加氧酶（負責甲烷降解途徑中的關鍵的第一步）的操縱子，其相似性為50%～90%，但它們與變形菌門中的甲烷單加氧酶基因進化距離較遠，并形成了一個獨立的進化分支，說明將甲烷代謝相關基因引入V4的橫向轉移事件發生在很久的進化時間之前，且其后在疣微菌門和變形菌門之間沒有發生相關橫向轉移。

我們的研究成果于2007年在Nature發表。Annual Review of Microbiology 2009年在題目為“The Expanding World of Methylotrophic Metabolism”的綜述中全面介紹了甲基營養菌的代謝機制和生態方面的最新研究進展，其中對該成果的評論為：“發現疣微菌門中的一些菌株具有氧化甲烷的能力，是最壯觀（mostspectacular）的新發現之一，使我們對甲基營養菌分布的認識在現有基礎上有了新的擴展”，因為“雖然這些甲烷氧化菌與已知的變形菌門中的甲烷氧化菌親緣關系較遠，但它們仍使用典型的顆粒型甲烷單加氧酶（進化關系較遠）來代謝甲烷”，“雖然疣微菌門中的細菌在不同環境中大量存在，但它們大部分不可培養，因此對于它們在特定生物地球化學過程中的作用缺乏研究”。Annual Review系列每年分別對40余個學科各發表1卷年評，評述該學科中最重要的研究進展，綜述均由各領域頂尖科學家撰寫，其中Annual Review of Microbiology每年對當時微生物學領域若干個最重要的進展進行一次系統性的總結。

英國應用微生物學會期刊Environmental Microbiology Reports 2009年發表社論（Editorial），由甲烷氧化菌領域權威、英國沃里克大學的JC.Murrell教授撰寫，題目為“The microbial methane cycle”。該社論全面介紹參與甲烷循環的微生物的多樣性、性狀和代謝機制，指出該項目成果“獲得的甲烷氧化菌V4的基因組信息，對于疣微菌門甲烷氧化菌生理、生化特性的研究，具有難以估量的價值”。

1.3 發現基因橫向轉移是自然界中最豐富的生物多樣性之細菌表面多糖抗原多樣性在宿主選擇壓力下進化形成的主要途徑，并發現同源重組、質粒轉移等是橫向轉移發生的主要機制

該方面工作以人類專屬致病性志賀氏菌的所有表面多糖抗原為核心，同時選擇同為人類腸道菌的大腸桿菌、沙門氏菌（基因橫向轉移可能性較高）的表面多糖抗原，以及與志賀氏菌、大腸桿菌親緣關系較遠的種屬（霍亂弧菌、軍團菌、阪崎腸桿菌、變形桿菌等，基因橫向轉移可能性較低）中具有相似結構或相同罕見單糖的表面多糖抗原，共計300余種，進行基因簇、基因功能和進化的分析，尋找基因橫向轉移是否是致病菌進化動力的證據。并利用其多樣性的特點，通過比較基因組學和多糖結構分析相結合的方法，在具有相似多糖結構的細菌中尋找可能的橫向轉移片段供體，以研究橫向轉移發生機制。

發現基因橫向轉移是人類專屬致病性志賀氏菌表面多糖抗原多樣性和該菌致病性在短時間內快速形成的主要機制，志賀氏菌仍在快速進化中。

我們破譯了27種志賀氏菌表面多糖抗原基因簇，結合以前的數據，系統地完成了對志賀氏菌全部34種表面多糖抗原遺傳信息的整體比較分析。志賀氏菌是在較近的進化時間由3個主要的起源從大腸桿菌進化而來的。我們發現志賀氏菌與大腸桿菌具有21組相同或高度相關（同源性99%～100%）的表面多糖抗原基因簇，表明在志賀氏菌從大腸桿菌分化出來之后，二者多糖抗原基因簇間頻繁的橫向轉移（主要由同源重組介導）是志賀氏菌表面多糖抗原多樣性快速形成的主要機制。發現這些基因簇在通過橫向轉移進入志賀氏菌后，在短時間內發生了較多遺傳事件（基因橫向轉移和突變等），表明志賀氏菌在人體環境的選擇壓力下發生了很多改變。且這類遺傳事件在志賀氏菌多糖抗原基因簇中出現的比率（50%）明顯高于在大腸桿菌多糖抗原基因簇中出現的比率（33%），表明志賀氏菌仍在“快速”進化過程之中。

我們系統地研究并實驗重現了由基因橫向轉移介導的一個細菌表面多糖抗原的進化形成，發現了該過程中的橫向轉移供體、橫向轉移方式和橫向轉移的作用。痢疾志賀氏菌1型可引起嚴重的細菌性痢疾,表面多糖抗原變化可導致該菌致病性減弱。發現痢疾志賀氏菌1型由橫向轉移獲得的表面多糖抗原基因簇的供體為大腸桿菌0148，基因簇兩端的galF和gnd基因的同源重組介導了橫向轉移的發生，之后其基因簇中一個糖基轉移酶基因wbbG發生突變失活，同時該菌通過獲得一個外源質粒（基因橫向轉移的初級形式）進而獲得了一個該質粒上的糖基轉移酶基因wbbP（與wbbG負責不同二糖鍵的合成），最終形成了有利于其致病性的多糖抗原。

發現遠緣種屬間的基因橫向轉移也可推動細菌表面多糖抗原多樣性的形成。

寡糖分子跨膜運輸是生物細胞的重要功能之一，真核與原核生物的寡糖轉運系統具有一定共性。我們在大腸桿菌052中首次發現ABC轉運系統負責大腸桿菌異多糖表面多糖抗原的轉運。整體分析顯示其他大腸桿菌異多糖表面多糖抗原均通過翻轉酶完成轉運，且基因簇中沒有ABC轉運系統編碼基因，表明052表面多糖抗原基因簇很可能以基因橫向轉移的方式由其他種屬進入大腸桿菌。

該方面成果發表25篇SCI論文。2008年國際微生物學權威綜述期刊FEMSMicrobiology Reviews基于我們系統解析志賀氏菌表面多糖抗原多樣性遺傳進化機理方面的成果，邀請王磊教授撰寫綜述，責任編輯以色列特拉維夫大學的D.Gut nick教授在邀請函中指出我們研究的問題“是非常及時的”，同行評審專家指出：“這是一篇對志賀氏菌0抗原遺傳和結構令人感興趣和全面的綜述，代表了對這一領域重要和全新的貢獻”。國際主要科技圖書出版社——Springer的Endotoxins:Structure,Function and Recognition主編在2009年邀請王磊教授撰寫革蘭氏陰性細菌表面多糖抗原多樣性章節的邀請函中指出“你在這一領域的貢獻已獲得國際認可”。

1.4 成功建立基于細菌表面多糖抗原特異分子標識的致病菌分子生物學檢測技術體系，在繼承傳統血清學檢測技術優點的基礎上，提高速度1～7倍

表面多糖抗原具有自然界最豐富的多樣性之一，自20世紀30年代以來一直是血清學檢測的靶標。血清學檢測目前仍是最靈敏和特異的常規使用的檢測方法。分子生物學檢測技術具有速度快且易于大規模使用的優點，是目前國際上公認的致病菌檢測的發展方向，但當前的難點在于DNA靶標分子特異性較低，還不能取代傳統的血清學檢測。

表面多糖抗原多樣性由合成基因簇的遺傳多樣性導致。我們通過對志賀氏菌、大腸桿菌、沙門氏菌、軍團菌等300余種表面多糖抗原基因簇的進化分析，發現其中兩類基因（糖基轉移酶基因和寡糖單位處理酶基因）主要進化方式為突變，橫向轉移現象很少，具有高度抗原特異性。我們據此篩選出300余種細菌（包括志賀氏菌全部34種血清型等）的多糖抗原特異分子標識。

利用這些特異分子標識建立了針對123種（或血清型）致病菌的快速檢測技術，包括：首次建立的針對志賀氏菌和沙門氏菌全部表面多糖抗原的分子檢測技術，針對15種血清型的志賀氏菌和致病性大腸桿菌的快速檢測技術，針對引起嬰幼兒腹瀉和敗血病的大腸桿菌0114的快速檢測方法等。該技術（3～12小時內完成檢測）既繼承了血清學檢測技術靈敏度高和特異性好的優點，又彌補了其耗時長、工作量大的不足（傳統方法需要24小時以上），具有重要應用價值。

可檢測的123種（或血清型）致病菌包括：34個血清型的志賀氏菌、46個血清群的沙門氏菌、8個血清型的致病性大腸桿菌、23個血清型的肺炎鏈球菌，以及阪崎腸桿菌、霍亂弧菌01及0139、軍團菌、單核李斯特菌、肺炎克雷伯氏菌、金黃色葡萄球菌、空腸彎曲桿菌、蠟樣芽孢桿菌、鏈球菌、奇異變形桿菌、銅綠假單胞菌等。

該方面成果獲31項發明專利授權，發表SCI論文9篇。我們建立的該檢測技術已被國內外廣泛借鑒和引用。芬蘭國家公共衛生研究所利用我們的技術，對分離自農場居民和牛身上的樣品中的大腸桿菌0174菌株進行了篩查。美國農業部在建立針對不同致病菌檢測技術的2篇論文中均借鑒了我們的檢測技術并引用了我們的論文。

2 項目應用

2009—2010年，我們利用這項技術幫助上海市疾病預防控制中心建立了較完善的致病菌分子生物學檢測技術體系。其中針對123種細菌的分子生物學檢測技術已應用于2010年上海世博會的公共衛生安全保障工作和突發事件處理并獲好評。世博會期間在常規檢測中，共完成2 160例食品、飲用水、糞便等樣品的檢測，檢出陽性樣品30例，經傳統檢測方法復核，準確率為100%，未發生因漏檢而引起感染的情況。在世博會期間突發事件的處理中，我們的技術用于食物中毒、水污染、醫院內感染等突發事件的應急檢驗，均快速、準確地檢測出志賀氏菌、沙門氏菌、軍團菌等致病菌?！?/p>

2011-03-08