基因水平轉(zhuǎn)移
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水平基因轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer, HGT），又稱側(cè)向基因轉(zhuǎn)移（lateral gene transfer, LGT），是指在差異生物個體之間，或單個細胞內(nèi)部細胞器之間所進行的遺傳物質(zhì)的交流。差異生物個體可以是同種但含有不同的遺傳信息的生物個體，也可以是遠緣的，甚至沒有親緣關(guān)系的生物個體。單個細胞內(nèi)部細胞器主要指的是葉綠體、線粒體及細胞核。水平基因轉(zhuǎn)移是相對于垂直基因轉(zhuǎn)移（親代傳遞給子代）而提出的，它打破了親緣關(guān)系的界限，使基因流動的可能變得更為復(fù)雜。
1959年，一系列的文章報道了大腸桿菌（Escherichia coli）的高頻轉(zhuǎn)導(dǎo)（Hfr）菌株可以將遺傳信息傳遞給特定的鼠傷寒沙門氏菌（Salmonella typhimurium）突變菌株。同年，Tomochiro Akiba和Kunitaro Ochiai發(fā)現(xiàn)病原菌中的抗性質(zhì)粒，而這一發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了攜帶抗性的質(zhì)?？梢栽诓煌N間轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，這實際上就宣告了野生型菌株間存在著水平基因轉(zhuǎn)移。然而，水平基因轉(zhuǎn)移作為一種概念，并不是一開始就伴隨著其現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)而出現(xiàn)的。直到20世紀(jì)90年代，由于下列原因，人們才逐步使用水平基因轉(zhuǎn)移的概念來解釋所遇到的水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，并形成研究熱點。
基因工程生物，特別是基因工程微生物（gene engineered organisms, GEOs, or gene engineered microorganisms, GEMs）的應(yīng)用，及被釋放到環(huán)境中后的安全性問題。抗藥性病原菌的大量出現(xiàn)，許多藥物，特別是抗生素已經(jīng)不能抑制或殺死原來敏感的病原菌，這已不僅僅是基因突變可解釋的，可能與抗藥性基因的水平轉(zhuǎn)移有關(guān)。已發(fā)現(xiàn)基因的轉(zhuǎn)移不僅僅是發(fā)生在細菌之間，而且也發(fā)生在細菌與高等生物之間，甚至是高等生物之間。
1 由質(zhì)?；?a href="/w/%E7%97%85%E6%AF%92" title="病毒">病毒等介導(dǎo)的水平基因轉(zhuǎn)移
質(zhì)粒和病毒是在各生物間進行遺傳物質(zhì)傳遞的重要媒介。細菌中以F質(zhì)粒為媒介的接合作用和以病毒（噬菌體）為媒介的轉(zhuǎn)導(dǎo)作用是最普通的水平基因轉(zhuǎn)移，而且這種轉(zhuǎn)移還不只是發(fā)生在細菌之間，還發(fā)生在細菌與高等生物之間，例如在土壤微生物中，存在于根癌土壤桿菌（Agrobacterium tumefaciens）中的200kb Ti質(zhì)粒上的T-DNA基因片段可整合進植物細胞的基因組中。即：根癌土壤桿菌中的T-DNA可轉(zhuǎn)移到植物細胞核內(nèi)。T-DNA還可以攜帶一定的外源基因，在植物基因工程中被廣泛地用做基因轉(zhuǎn)移載體［8］。此外，Ri質(zhì)粒也可以協(xié)助遺傳物質(zhì)在細菌與植物間進行水平基因轉(zhuǎn)移。
有關(guān)細菌與動物細胞間的水平基因轉(zhuǎn)移，在1991年，F(xiàn)alkow綜合論述了有些特定的細菌屬可以入侵哺乳動物細胞的詳細情況。Patrice Courvalin研究表明，弗氏志賀菌（Shigella flexneri）及E. coli的入侵型菌株以攜帶質(zhì)粒進入哺乳動物細胞，質(zhì)粒并可以整合進基因組中穩(wěn)定地在子代細胞中表達。
2 基因的“直接”水平轉(zhuǎn)移
水平基因轉(zhuǎn)移除了通過質(zhì)粒和病毒為媒介以外，目前大量發(fā)現(xiàn)的是不需要媒介的“直接”轉(zhuǎn)移。1996年，Baur發(fā)現(xiàn)在從自然環(huán)境中采集的含一定離子的天然水樣中，大腸桿菌可通過其內(nèi)在調(diào)節(jié)機制建立自然感受態(tài)［12］。能夠在自然環(huán)境中“直接”攝取外源DNA，這對原本認(rèn)為大腸桿菌是不能建立自然感受態(tài)的傳統(tǒng)概念是一種挑戰(zhàn)。此外，枯草芽孢桿菌建立自然感受態(tài)的能力也早已得到人們的肯定，其基因組上有10多個基因與感受態(tài)的建立有關(guān)。隨著環(huán)境中具有轉(zhuǎn)化活性的DNA分子及感受態(tài)細胞的發(fā)現(xiàn)，自然轉(zhuǎn)化在水平基因轉(zhuǎn)移中的作用成為人們關(guān)注的焦點。所謂自然遺傳轉(zhuǎn)化是不需要任何媒介的“裸露”DNA分子與自然感受態(tài)細胞間相互作用的一種基因轉(zhuǎn)移方式，可以發(fā)生在細菌之間，也可以發(fā)生在細菌與其它真核生物之間。因為自然遺傳轉(zhuǎn)化不需要致育質(zhì)粒和噬菌體作為媒介，甚至不受時空的限制，可以發(fā)生在不同的生物之間，所以被認(rèn)為很可能是水平基因轉(zhuǎn)移的重要途徑。在這一途徑中，一種新的現(xiàn)象已引起人們的極大興趣，即細菌細胞能主動分泌DNA到環(huán)境中，并具有轉(zhuǎn)化活性，這不僅對傳統(tǒng)的不涉及供體的自然轉(zhuǎn)化概念提出了新的挑戰(zhàn)，而且也為水平基因轉(zhuǎn)移的深入研究提供了新的內(nèi)容。特別近來有報道表明，細菌在逆境條件下形成生物膜（biofilm）的機制與細菌分泌到胞外的DNA密切相關(guān)，更引起人們廣泛的關(guān)注。
由前可知，無論是在正常條件下，還是在逆境條件下，尤其是后者，細菌主動分泌DNA到環(huán)境中和從環(huán)境中攝取DNA都得到了有力的證明。如果能夠在逆境條件下，找到細菌主動分泌及攝取DNA的結(jié)合點，有利于進一步揭示水平基因轉(zhuǎn)移的機理。
3 基因組序列分析和水平基因轉(zhuǎn)移
隨著基因工程的深入開展，人類及其它生物基因組測序工作相繼完成，人們發(fā)現(xiàn)不同物種之間，甚至親緣關(guān)系很遠的生物之間基因組上有大量同源基因存在。
在三域系統(tǒng)的基因組相互比對中，發(fā)現(xiàn)大量存在水平基因轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。海棲熱袍菌MSB8（Thermotoga maritima MSB8）是一種屬于細菌域的嗜熱細菌，在其基因組中含有1872個預(yù)測的編碼區(qū)，其中有1014個（54%）功能已知。在與古生菌的比對中，發(fā)現(xiàn)有24%的基因與古生菌基因相近，即有近1/4的基因來源于古生菌，成為古菌與細菌之間進行側(cè)向基因轉(zhuǎn)移的有力證據(jù)。
細菌基因組上含有來自高等生物的基因也有不少報道。如耐放射異常球菌（Deinococcus radiodurans）含有幾個只有在植物中才有的基因；結(jié)核分枝桿菌（Mycobacterium tuberculosis）的基因組上至少含有8個來自人類的基因，而且這些基因編碼的蛋白質(zhì)能幫助細菌逃避宿主的防御系統(tǒng)，顯然這是結(jié)核分枝桿菌通過某種方式從宿主那兒獲得了這些基因為自己的生存服務(wù)。
人類基因組測序工作的完成也進一步證實了水平基因轉(zhuǎn)移的普遍性和遠緣性。在人類基因組上已發(fā)現(xiàn)了223個來源于細菌的基因，這些基因無疑是通過水平基因轉(zhuǎn)移機制獲得的［21］。但在基因轉(zhuǎn)移的時間上，目前還存在爭議。
除了基因組比對外，人們還對部分蛋白質(zhì)序列做了比對分析，發(fā)現(xiàn)有許多水平基因轉(zhuǎn)移存在的證據(jù)。在細胞色素c的序列比對中認(rèn)為長須銀柴胡（Stellaria longipes）和鼠耳芥（Arabidopsis thaliana）很有可能與噬菌體之間發(fā)生過水平基因轉(zhuǎn)移［23］。銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）中類似真核的磷酸脂酶D（PLDS）的遺傳學(xué)和生化分析指出，編碼該酶的基因pldA是通過來自真核的水平基因轉(zhuǎn)移獲得的。
4 水平基因轉(zhuǎn)移與進化
由前可知，水平基因轉(zhuǎn)移實際上已被引入了分子進化及宏觀進化領(lǐng)域，被認(rèn)為是推動進化的重要動力。在這個意義上，水平基因轉(zhuǎn)移不僅僅是一個基因轉(zhuǎn)移的過程，實際上它是一個復(fù)雜的多步驟過程。Jonathan將此大致分為6個步驟。首先要被轉(zhuǎn)移的遺傳物質(zhì)在供體中進化。當(dāng)達到某一點時，遺傳物質(zhì)通過載體（如病毒）或者直接（如接合）或者間接（如轉(zhuǎn)化）地進行轉(zhuǎn)移。這些遺傳物質(zhì)必須獲取能夠在受體中長期存在的形式。不同的轉(zhuǎn)移和存留方式?jīng)Q定了不同的水平基因轉(zhuǎn)移類型。被受體接受的遺傳物質(zhì)在受體群落中廣泛傳播，即使這些遺傳物質(zhì)的傳播是符合中性法則的，但是自然選擇的壓力會有可能促進這一傳播過程（如抗生素抗性的選擇）。而這一過程對供體和受體的進化都具有影響，最終有可能會產(chǎn)生一個的品系，這被稱之為“改良（amelioration）”過程。
這一過程實際上是漫長而復(fù)雜的。這種基因轉(zhuǎn)移到底發(fā)生在什么時候，目前有兩種觀點。一種認(rèn)為水平基因轉(zhuǎn)移發(fā)生在遠古時候的早期生命，即單一的共同細胞祖先產(chǎn)生了所有的現(xiàn)代生物；另一種觀點則認(rèn)為，除了早期生命在進化過程中進行了大量水平基因轉(zhuǎn)移外，現(xiàn)在的生命，即在物種形成清晰的譜系之后仍能毫無困難地交換基因。水平基因轉(zhuǎn)移在歷史上的大量證據(jù)，使人們有必要對生物進化理論進行重新審視。Doolittle認(rèn)為許多原本在生物進化理論中基礎(chǔ)的概念都需要經(jīng)過重新審視。傳統(tǒng)的簡單分支的系統(tǒng)發(fā)育樹不能成為表現(xiàn)眾多生物親緣關(guān)系的最佳方式，而網(wǎng)絡(luò)性的或類網(wǎng)狀的系統(tǒng)發(fā)育模式才能給予它們恰當(dāng)?shù)拿枋?。同時，水平基因轉(zhuǎn)移在微生物進化中還是被認(rèn)為是一種重要的推動力量。
隨著轉(zhuǎn)基因生物的商業(yè)化過程，轉(zhuǎn)基因工程的生物安全性逐步受到人們的重視。有研究認(rèn)為距今20億年至10億年間，發(fā)生了大量水平基因轉(zhuǎn)移的事實。假設(shè)這是正確的話，在人為介入水平基因轉(zhuǎn)移之后，大量穿梭載體及特異人工遺傳物質(zhì)的出現(xiàn)并釋放到實驗室之外后，是否會出現(xiàn)水平基因轉(zhuǎn)移的第二次大爆發(fā)呢？
在距今20億年至10億年間，三域生物之間發(fā)生了大量的水平基因轉(zhuǎn)移事件。認(rèn)為現(xiàn)代真核生物的核(nu)來自于古細菌，線粒體(mi)和葉綠體(ch)來自真細菌。同時還發(fā)生了許多其它對現(xiàn)代生物影響深遠的水平基因轉(zhuǎn)移事件(源自Michael Syvanen, 2002)。
近年來,發(fā)現(xiàn)自然環(huán)境中存在大量具有轉(zhuǎn)化活性的DNA分子以及能主動攝取外源DNA的感受態(tài)細胞，使得人們對環(huán)境中發(fā)生的水平基因轉(zhuǎn)移有了新的認(rèn)識，也必然引起人們對GEMs使用安全性的更深層次的思考。如果說自然環(huán)境微生物之間遺傳物質(zhì)的交流是一種正常的生態(tài)平衡系統(tǒng)，或者說是一種極其緩慢的優(yōu)勝劣汰的進化過程，那么為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，甚至革新整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面貌，或治理環(huán)境污染，或其它方面的應(yīng)用，人為地向環(huán)境中加入大量的人工構(gòu)建的GEMs或其它的GEOs，也許是一種加速進化的“人工進化”過程，這個過程的結(jié)果是喜是憂？還是二者兼有？目前仍是未解決的問題，也是頗具爭議的問題。水平基因轉(zhuǎn)移及其產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)的深入研究，將有助于對GEOs做出新的評價，使得基因工程技術(shù)及轉(zhuǎn)基因生物的應(yīng)用發(fā)揮更輝煌的作用。
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