水平基因转移

水平基因转移是指细菌之间除亲代到子代遗传之外的遗传物质运动。通过转化、转导和接合，细菌可以从不相关的细胞中获取整个基因或基因簇，这使得它们能够比单独突变快得多地获得新性状，例如抗生素抗性或毒力。

Definition

水平（或侧向）基因转移是指细菌通过除垂直遗传之外的途径，主要是通过转化、转导或接合，从另一个细胞获取遗传物质的过程。

Scope

本主题涵盖细菌基因转移的三种经典途径、介导它们的移动元件、限制转移的屏障以及获取外源DNA的进化后果。它将该主题视为一种机制和进化的参考，而非临床指导。

Core questions

• DNA在细菌之间水平移动的主要机制是什么？
• 哪些移动遗传元件在细胞之间携带基因？
• 哪些屏障限制了外源DNA的摄取和稳定整合？
• 水平转移如何塑造细菌进化和耐药性的传播？

Key concepts

• 转化（游离DNA的摄取）
• 转导（噬菌体介导的转移）
• 接合（细胞间转移）
• 移动遗传元件
• 整合接合元件
• 接合质粒
• 转移屏障（限制修饰，CRISPR）
• 基因组可塑性和创新

Mechanisms

水平基因转移通过三种经典途径进行，Thomas和Nielsen对此进行了综述。在转化中，一个感受态细胞从其环境中吸收游离DNA。在转导中，噬菌体将细菌DNA包装并递送到新的宿主中。在接合中，DNA通过细胞间的接触直接从供体转移到受体，这通常由接合质粒和整合接合元件驱动，如Smillie及其同事以及Wozniak和Waldor所述。获得的DNA随后必须避开宿主屏障，包括限制修饰系统和CRISPR防御，并通过重组进入染色体或作为自主复制子稳定维持。Ochman及其同事认为，这种预组装功能模块的转移是细菌创新的主要来源，并解释了基因组中观察到的许多基因含量变异。

Clinical relevance

水平基因转移是抗菌素耐药性和毒力基因在细菌之间（包括跨物种）传播的主要机制，这使其成为理解耐药病原体出现的核心。本条目解释了其机制，不作为临床决策的依据。

History

Griffith的转化实验以及后来DNA作为转化原理的鉴定首次证明细菌可以从其他细胞获得可遗传性状。接合和转导的发现完善了三种转移途径，而Ochman及其同事综合的比较基因组学研究确立了水平转移是塑造细菌基因组的普遍力量。

Debates

细菌进化的多少是由水平转移而非垂直遗传驱动的？

比较基因组学显示了跨谱系的广泛基因获取，这提出了一个问题：当基因组的很大一部分可以通过水平获取时，单一的“生命之树”能否可靠地捕捉细菌关系。

Key figures

• Frederick Griffith
• Joshua Lederberg
• Howard Ochman
• Matthew Waldor

Seminal works

• ochman-2000
• thomas-2005
• frost-2005

Frequently asked questions

细菌水平转移基因的三种主要方式是什么？

转化（从环境中摄取游离DNA）、转导（由噬菌体携带的转移）和接合（细胞间直接接触转移，通常通过接合质粒或元件）。

为什么水平基因转移对抗生素耐药性很重要？

它使得耐药基因能够在细菌之间移动，包括跨物种移动，因此在一个生物体中出现的耐药性状可以广泛传播，而不仅仅通过细胞分裂遗传。