PNAS：大肠杆菌如何进化？
杜塞尔多夫大学Tin Yau Pang和Martin J. Lerchera于2018年12月18日在《PNAS》上发表题目为《Each of 3,323 metabolic innovations in the evolution of E. coli arose through the horizontal transfer of a single DNA segment》的文章。基于比较基因组学和基因组规模代谢建模的结合，该研究表明大肠杆菌每一个表型创新都是通过水平基因转移（HGT）获得单个短片段DNA来实现的。
文章重点
细菌通常通过复制来自其他菌株的基因而进化，这一过程称为水平基因转移。因此，细菌物种大肠杆菌的不同菌株在它们拥有的基因组中显著不同。在这里，我们使用53个大肠杆菌菌株的祖先的推断基因集来重建祖先在不同营养环境中生长的能力。这使我们能够推断出大肠杆菌进化史上的3,000多种代谢创新。所有的创新都是通过复制（转移）来自另一个菌株的一小块DNA来实现的，这证明了大肠杆菌能够快速适应新环境的惊人能力。
文章摘要
即使是密切相关的原核生物，它们在不同的营养环境中生长的能力也经常表现出惊人的多样性。有人假设复杂的代谢适应-那些需要独立获得多个新基因的代谢适应-可以通过选择性中性中间体进化。然而，这种对表型空间的中性探索是否在自然界中发生，或者代谢适应的哪一部分是复杂的还尚不清楚。
在这里，我们重建53个大肠杆菌菌株的系统发育的祖先的代谢模型，将基因型与基因组范围的宏观进化规模的表型联系起来。基于祖先和现存的代谢模型，我们在大肠杆菌进化枝的历史中鉴定了3,323种创新的表型，这些创新是通过辅助基因组含量的变化而产生的。在这些创新中，1,998个允许在以前无法进入的环境中增长，而1,325个增加了生物量产量。引人注目的是，每个观察到的创新都是通过横向采集长度小于30 kb的单个DNA片段而产生的。虽然我们没有发现选择性中性过程的贡献的证据，但早期系统发育分支的水平基因转移促进了10.6％的代谢创新，这与逐步适应连续环境一致。通过组合大肠杆菌pangenome获得的98％的代谢表型可以通过从单个DNA片段转移到任何单个菌株。
这些结果证明了大肠杆菌谱系通过单一水平基因转移（随后进行调节适应）适应新环境的惊人能力，这种能力可能反映在通才细菌的其他进化枝中。
文中主要图片说明
图1 方法和主要结果概述。我们从参考文献18和25中研究的大肠杆菌基因组的系统发育开始。（左）基于祖先菌株的基因组（18），我们重建了他们的代谢网络1。对于每个菌株及其直系祖先，我们进行了FBA以估算各种营养环境中的生存力和生物量产量2。如果衍生的菌株可以在给定的环境中生长，但祖先不可行或生产的生物量低得多，对于这样的创新我们推断出表型创新（右），新获得的负责创新的基因（红色条）位于至少一个其后代的基因组上的<30kb的范围内。因此，我们得出结论，这些基因通过单个DNA片段的水平转移（由单基因供体噬菌体表示）共同获得。相反，我们没有发现多个独立的HGT事件（例如，多个噬菌体）促成同一创新的情况。
图2 在大肠杆菌pangenome中可获得的少数潜在表型创新需要通过HGT获得几个不同的DNA区段（即，这些创新是复杂的）。
图3 在大肠杆菌谱系中，10.6％的新表型和19.0％的产量改善通过在系统发育的不同分支上进行2至4次连续水平DNA获得而进化。请注意，这些明显复杂的创新表型中的每一个都可以通过连续获得目前现存的大肠杆菌菌株中发现的单个<30kb的DNA片段的直接祖先代替。
你可能还喜欢
培训班推荐👇，快来参加，充实自己吧！
2019国家自然基金标书构思及撰写经验分享会（北京：19年1月12-13日，18年12月15-16日，上海：12月22-23日）
SCI插图与图表制作高级班（上海：19/01/16-20日，18/12/19-23日，北京：2019/01/09-13日，）