真核生物中神秘的“cheating gene”
每当提到“外源基因”，大家都会感叹生命的神秘。因为这种特殊的遗传物质传递方式打破了传统“父传子”的传递方式的限制，促使生命的进化有了更多灵活的选择方向。
对外源基因了解的越多，我们的疑问也就越多。近日浙江大学生命演化研究中心沈星星研究员团队在Environmental Microbiology(Liu et al.2022)上发表观点性文章讨论了外源基因研究需要探索的重要开放问题。
1【细菌中的外源基因】
神秘源于未知，随着测序技术的进步和组学的发展，我们逐渐了解到HGT是十分普遍的现象，尤其是在细菌中。据估计，细菌基因组中1.6-32.6%的基因是通过水平转移（Horizontal Transfer）的方式获得的[1]。在细菌中外源基因的发生机制相对清楚，主要包括转化(transformation)、转导(transduction)和接合(conjugation)[2]（图1）。一旦外源DNA进入细胞，细菌就可以通过同源重组的方式将其纳入自身基因组。
图1. 细菌水平基因转移的主要模式
https://doi.org/10.1007/8623_2015_46
2【真核生物中的外源基因】
由于多细胞真核生物基因组数量相对较少，我们很难估计在真核生物中获得了多少外源基因。但是在过去的二十年中，大量的真核生物中的外源基因被发现，特别是最近Li等人报道外源基因在地球上最多样化的动物群体-昆虫中是普遍存在的[3]。现在看来，真核生物中外源基因转移发生的频率比我们预期的要高。
真核生物基因组并不像细菌基因组那样开放，所以在真核生物中外源基因的传递机制更为复杂和多样，比如借助共生微生物、病毒或转座子作为载体发生。共生微生物目前被认为是真核生物中外源DNA的主要载体，宿主与共生体共生关系的开放程度在很大程度上决定了外源基因传递的难易程度和频率[4]。
图2. 宿主-共生群落-遗传物质的创新机制
https://doi.org/10.1038/s41576-021-00395-z
3【讨论】
1、先前的研究发现外源基因在昆虫中广泛存在，并且提供外源DNA的供体是多样化的（图3）。有相当一部分外源基因来自复杂的真核生物，包括真菌(11%)和植物(4%)。外源基因的传递是通过真核生物之间的直接接触发生的，还是有一种原核生物作为中间载体来协助它们的转移？我们不知道，但是无论怎么样，遗传物质从供体被转移到真核生物的前提是它的传递应该发生在真核生物的生殖细胞中。否则，这些获得外源基因将不会遗传给真核生物的后代。
2、此外，Li等人发现昆虫中外源基因的数量在不同的目中差异很大。例如，膜翅目和双翅目昆虫中外源基因的数量相对较少，而鳞翅目昆虫中外源基因的数量要高得多。是什么因素导致外源基因在主要昆虫目间的分布不均衡？虽然这个问题的答案仍然是一个谜，但考虑不同目昆虫的生态学特征可能有助于回答这个问题。
3、最后，目前尚不清楚微生物，如共生体，是否能够从昆虫或者其他真核生物获得外源基因？我们猜测这种事件是很有可能发生的，毕竟共生微生物的共生系统开放程度比较高。但是微生物的遗传物质系统又非常简约，对于进入自身的外源DNA，它是如何识别有用的片段并及时利用的呢？
图3. 昆虫从细菌、真菌、病毒和植物中获得的HGT基因增强昆虫适应能力[5]
4【总结】
虽然对昆虫中HGT的系统调查拓宽了我们对其在昆虫进化中的作用的理解。但仍有一些亟待解决的问题：
1、真核生物与供体之间HGT是如何发生的？
2、为什么微生物是主要的真核生物外源DNA供体？
3、为什么鳞翅目昆虫更容易发生HGT？
4、HGT是否发生在相反的方向，即从真核生物到微生物？
参考文献
1.Koonin, E.V., Makarova, K.S., and Aravind, L. (2001) Horizontal gene transfer in prokaryotes: quantification and classification. Annu Rev Microbiol 55: 709-742.
2.Arnold, B.J., Huang, I.T., and Hanage, W.P. (2022) Horizontal gene transfer and adaptive evolution in bacteria. Nat Rev Microbiol 20: 206-218
3.Li, Y., Liu, Z., Liu, C., Shi, Z., Pang, L., Chen, C. et al. (2022) HGT is widespread in insects and contributes to male courtship in lepidopterans. Cell 185: 2975-2987.e2910.
4.Perreau, J., and Moran, N.A. (2022) Genetic innovations in animal-microbe symbioses. Nat Rev Genet 23: 23-39
5.Chao, L., Li, Y., Chen, Y., Chen, X.-x., Huang, J., Rokas, A. and Shen, X.-X. (2022), How has HGT shaped the evolution of insect genomes?. Environ Microbiol. doi: 10.1111/1462-2920.16311.
