PLoS Biol：有性生殖过程可以修补受损的基因组

　　2016年3月25日讯 原核生物基因组的多样化，是通过从其他的基因组获得的DNA的能力来维持的。然而，在DNA转移的过程中，一些遗传元件可能会感染并入侵基因组。该细菌细胞的自然转化过程的发现，也促进了上个世纪分子生物学的大发展。出人意料的是，一项新的研究表明，原核生物中的有性生殖过程，即其自然转化机制，可以有效地治愈基因组的损伤，抵消之前基因交流过程导致的遗传元件的感染。

　　水平基因转移（HGT）是原核生物维持遗传多样性的一个关键因素。在自然种群中，水平基因转移的频率是非常高的，导致物种的基因库中较少有比较高频的核心基因，而有很多非常低频的基因。这些低频的基因造就了原核生物基因组的多样性。这些基因还能够在不同的基因组间转移，作为一种可移动的遗传元件，但是他们更像一种基因组的寄生虫。因此，有特殊特性的水平基因转移往往伴随着（转化过程）代价高昂的可移动遗传元件出现。

　　Croucher、Fraser和同事们提出，小片段DNA的重组过程可能构成了转化过程中，细菌基因组遗传物质缺失的基础。天然转化允许环境中的DNA被摄取到细胞。转化过程由专门的受体细胞负责，受体细胞中会表达转化机器，并最倾向于近亲族群间的DNA交换。DNA的到达细胞内时是以单链的形态存在的，如果它不降解，就可以通过同源重组整合进入受体细胞基因组中高度序列相似性的区域。这导致染色体的一小部分与外源DNA之间进行等位基因交换。根据转化DNA和受体基因组之间的序列相似性的程度，以及重组机制的不同，替代重组过程也可能会发生。高相似性的区域侧翼的非同源的DNA，可以通过双同源重组被整合进基因组。混合型的同源和异常重组的序列相似性要求不太严格。这些还会过程导致染色体DNA 的小部分缺失。这些替代重组途径使细菌失去或者获得新的遗传信息。

　　进入细菌细胞的外源DNA携带着侧翼的移动元件和核心基因，但如果缺少这些侧翼的移动元件，仅剩的核心基因可以成为模板来删除受体基因组中和核心基因同源的DNA片段。重要的是，这种机制可以有效地删除原核生物种群基因组中的低频DNA片段。入侵受体的移动遗传元件最初在种群中呈现低频状态，这些低频的入侵元件逐渐早原核生物的转化过程中被删除。因此，原核生物的自然转化和基因重组将逐渐导致入侵基因组的遗传元件（或者基因寄生虫）片段被删除掉，比如可以逐渐清除噬菌体、致病性的遗传岛等等。计算机模拟显示，自然转化导致的基因重组甚至可以抵消可移动遗传元件的水平转播。移动元件的删除，对于原核生物来说，可以认为是基因组的一种自清洁过程，让种群的基因库变得更加健康。

　　自然转化导致染色体“治愈”模型，可能有助于解释其他塑造原核生物基因组进化的机制，而不仅仅是基因组中的可移动元件的删除。通过同源重组相关的可替代重组导致的基因组删除，可以导致一些可移动元件的清理，可以“治愈”基因组的损伤，可能是原核生物进化出的一种保护机制。最近的几项研究已经表明，该类似于有性生殖的同源重组机制在原核生物功能创新和外来基因驯化等过程中的重要性。该模型可能也适用于解释细胞之间传送小的DNA片段的其他机制。染色体“治愈”模型的深入研究，可能有助于解开他们在生态和进化中的重要影响。