对被称为水平(或横向)基因转移(HGT/LGT)的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播不同，HGT涉及跨越物种边界的遗传物质横向交换。

这个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GenomeBiologyandEvolution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ChristinaBurch和CorbinJones领导的北卡罗来纳大学的研究人员调查了影响单个基因通过HGT转移到新的受体细菌菌株的能力的因素。

他们的研究表明，基因的可转移性受到多种因素的影响，包括其与受体的序列差异以及所得蛋白质具有多少相互作用伙伴(即其连通性)。此外，基因的分歧和连通性相互作用以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。已经提出了两个潜在的假设：平衡假设和复杂性假设。

平衡假说认为，新转移的基因可能通过破坏表达蛋白质之间的平衡而导致基因失调，而复杂性假说提出新转移的基因可能无法参与正常的蛋白质-蛋白质相互作用。重要的是，虽然供体和受体菌株之间的差异不应影响前者的过程，但预计会影响后者，因为更不同的蛋白质更有可能经历蛋白质-蛋白质相互作用失败。

因此，散度趋势放大了连通性对可转移性的影响，可以用来区分这两个假设。

为了理清这些机制对HGT的影响，Burch及其同事以新的方式重新分析了旧数据。一些最早的细菌和古细菌基因组是使用一种方法进行测序的，其中感兴趣的基因组被片段化，每个片段被掺入细菌质粒(一小块环状DNA)上。

然后将质粒克隆到大肠杆菌中，大肠杆菌将复制并产生更多的质粒拷贝，用于随后的鸟枪测序和组装。十五年前，在发表在《科学》杂志上的一项研究中，RotemSorek及其同事认识到这些文库可用于评估通过HGT的基因可转移性;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。

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来表明每个基因转移到大肠杆菌中的难易程度。

最初，Burch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，基因组复制起源处的读取覆盖率明显高于某些霰弹枪文库的末端。当然，如果你知道活跃生长的细菌在源头启动了大量的复制分叉，这是有道理的。

“有了这些细菌生理学知识，我们可以推断出一些霰弹枪文库是使用从活跃生长的细胞中分离的基因组制作的，而另一些则是使用从未活跃生长的细胞中分离的基因组制成的。虽然细菌生理学的这一特殊方面与我们着手回答的问题无关，但我们能够看到它对霰弹枪库数据的影响，这让我在早期阶段确信，我们有兴趣研究的生物信号也可能是可以检测到的。

换句话说，这些数据表明研究人员将有能力检测影响HGT的变量中的模式。

在纠正与细菌生理学相关的偏差(即在活跃生长的细胞中频繁开始复制)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，以及大肠杆菌中天然基因的表达水平。

重要的是，他们发现了分歧和连通性之间的显着相互作用，支持复杂性假说，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，这项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。Burch指出，“在这项工作之前，复杂性假设只用口头论证来描述。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。然后，我们可以对现有的基因组数据进行统计测试这一事实是锦上添花。我们感谢Sorek团队的引领。

该分析的一个警告是，所有研究的基因都位于用于将它们转移到受体细胞中的质粒(即染色体外DNA)上。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力学。

“最终，我们希望更好地了解将转移基因整合到受体基因组中的后果，”Burch说。“现代基因组测序技术使得使用微生物进化实验来研究这个问题成为可能，并且已经完成了一些实验，但需要更多的数据。

此外，目前的分析必然仅限于大肠杆菌基因组中已经存在的基因。“我们还想更好地了解受体细胞中尚不存在的新基因或辅助基因的水平转移，”Burch继续说道。“这些基因与复杂性假说无关，因此调查仍有待未来的工作。

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