遗传进化的机理

三、遗传进化的机理

我们现在的实验手段还难以重现微生物生物降解的进化过程，但我们可以从现代分子生物学技术改造微生物成果，并结合对从自然环境中分离到的降解微生物的遗传分析来推断生物降解的遗传进化，阐明推动生物降解遗传化的基本机理。大量的实验研究和理论分析表明从根本上说生物降解的进化可以归结为微生物群落中新的降解基因的出现和基因的相互作用，而最终在一个微生物群落中出现降解特定有机物的全部基因。目前的研究表明基因突变、接合作用、转化、转座造成的新降解基因以及基因转移和重组使微生物进化出新的降解能力是生物降解遗传进化的主要机理。许多代谢活性的实验进化研究说明基因转移和重组对宿主细胞适应新化合物的重要性。通过基因转移和重组能克服新基质降解自然途径的生物化学障碍。基因转移可以产生更广谱的酶替代窄谱的专一性酶而产生代谢途径的水平扩展。也可以提供新的非关键性酶(peripheral enzymes)来介导基质到已存在的降解途径中而产生垂直扩展。

基因突变是基因内部遗传结构或DNA序列的改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换而导致的遗传变化。单一位点突变(single-site matation)可以在微生物基因中连续发生，从而会改变基因的结构或造成损伤，在DNA复制过程中出现差错。微生物在DNA复制中能对损伤进行修复，包括光复活修复、切除修复、重组修复和SOS修复。但在SOS修复中也产生一种错误倾向(error-prone)的SOS修复，这种修复识别碱基的精确度低，因此容易造成复制的差错，这是一种以提高突变率来换取生命存活的修复。基因突变和修复过程中的差错都可以产生相应的突变，在环境压力存在的条件下，环境压力的选择会积累DNA的进化。有研究证明单一位点突变能改变酶的底物的专一性或效应物的专一性。PWWO质粒中基因编码的儿茶酚2，3-双加氧酶因酶的单一氨基酸被取代而使底物范围扩展到4-乙基儿茶酚。

接合作用是通过细胞与细胞的直接接触而产生的遗传信息的转移和重组过程。

遗传转化是指同源或异源DNA分子(质粒和染色体DNA)被自然或人工感受态细胞摄取，并得到表达的水平方向的基因转移过程。实验研究表明恶臭假单胞菌mt-2转移TOL质粒PWWO到假单胞菌B13菌株，使生物降解能力范围从3-氯苯酸盐水平扩展到4-氯苯酸盐和3，5-二氯苯酸盐。这种转移提供B13菌株以TOL质粒的xy1 XYZ(甲苯甲酸盐双加氧酶)，这种酶的底物范围比原菌株B13的氯苯酸盐加双氧酶更广。质粒转移已在微宇宙实验中得到证实，编码3-氯代苯酸盐降解酶的产碱菌菌株BR60的降解质粒pBRC60被转移到土生受体菌并表达。

转座是转座子或插入序列插入同一DNA分子的新的位点或插入另一DNA分子的过程。基因片段的插入可以导致基因转移，实现DNA片段的重排，使沉默基因激活或活跃基因纯化。插入片段对不常见化合物的适应性和降解潜力有重要作用。研究证明洋葱伯克霍尔德氏菌至少带有9种不同的插入片段，它们在基因组中存在1～13个拷贝。插入片段(IS931)在chq基因座(chq gene locus)周围，对2，4，5-T降解起作用。这种片段不来源于这种菌，这说明IS931或这种降解基因的部分是从其他生物中获得。假单胞菌菌株P51的氯代苯加双酶基因的两侧有两种等同插入片段IS1066和IS1067。IS1066、氯代苯加双氧酶基因和IS1067共同组成的称为Tn5280的复合片段也是一个功能转座子，能随机插到基因组。IS片段的另一个重要作用是对沉默基因的激活。IS片段的一端常常含有类似启动子(promoter like)序列，其能激活IS片段外基因的表达。在洋葱伯克霍尔德氏菌中，IS406和IS407的插入能导致lacZ的激活。IS931和IS932也能激活邻近基因的表达。人工构建的菌株可以重现自然条件下所发生的适应进化。例如氯代苯完全降解的途径需要广底物专一性(broadsubstrate-specificity)的苯双加氧酶、广底物专一性的苯glycol脱氢酶，同时要有修饰邻位裂解途径。恶臭假单胞菌F1含有编码广底物专一性的苯加双氧酶和苯glycol脱氢酶的基因，假单胞菌B13的质粒带有裂解途径，通过这两个菌株的融合所得到的转化接合子(transconjugants)能完全代谢氯代苯。而从污染环境中，分离到一株假单胞菌P51也说明这种情况。这个菌株的质粒含有两个降解操纵子，一个编码修饰的邻位裂解途径，而另一个编码氯苯加双氧酶和氯苯glycol脱氢酶。氯代苯加双氧酶基因簇位于可转移的片段上，这说明现在的pP51质粒是氯代苯加双氧酶转座子转座到老pP51质粒上形成的，老的质粒仅含有修饰邻位裂解途径基因。