Nat Ecol Evol 社论 | 泛基因组

kibcat 2024-05-17 发布于美国

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泛基因组

A panoply of pangenomes. **Nat Ecol Evol** 8, 833 (2024). https:///10.1038/s41559-024-02421-9

泛基因组学使我们能够追溯进化枝的演化历史，并为基因组变异的来源和生物体的适应提供新的视角。

泛基因组包含从不同个体收集的基因组的多个版本，因此代表了进化枝的完整遗传库。它由存在于所有物种或品系中的“核心”基因和仅在一部分物种中发现的“附属”基因组成。在下一代测序基因组和新开发的计算工具的可用性不断增加的推动下，泛基因组研究揭示了基因组变异的不同来源，并可以提供对进化枝演化动力学的全面见解。在这里，我们重点介绍泛基因组学的最新应用，这些应用增进了我们对原核生物和真核生物进化和适应的理解。

原核生物经常通过物种和菌株间的水平基因转移（HGT）来共享遗传信息。在引入遗传变异供选择作用的同时，HGT还扩大了一个支系的附属基因组，因此也扩大了该支系的泛基因组。在本期文章中，Dmitrijeva等人探讨了全球范围内原核生物中较早发生的HGT事件与较晚发生的HGT事件之间的生态进化因素。通过分析8,790个物种的泛基因组，作者发现与物种进化史中较早转移的基因相比，最近转移的基因具有不同的功能特征。例如，较早转移的基因富含与代谢功能相关的基因，而最近转移的基因则富含抗菌素抗性（AMR）基因，这就提出了一个问题：AMR基因的传播是否与抗生素开始广泛使用的时间一致。通过评估环境样本中的全球物种分布和相对丰度特征，作者发现高丰度和共存物种更有可能交换基因。不过，虽然HGT 原核生物泛基因组进化中的作用已被普遍接受，但也有一些例外。例如，深海贻贝的蛋白细菌共生体的泛基因组主要是通过垂直遗传进化的，几乎没有HGT的证据。

原核生物的泛基因组是在适应性进化还是中性进化的过程中演化的，这个问题还存在一些争议。由于这些泛基因组通常包含大量的附属基因，而这些附属基因在不同种群内部和种群之间共享，因此很难建立一个中性的参照系来识别适应性进化的特征。Douglas和Shapiro在本期杂志上撰文指出，当基因组只包含一个功能性（完整）附属基因拷贝时，通常会减少相同功能类别的非功能性（失活）假基因。这暗示了泛基因组进化的适应性模式，作者使用假基因作为668个原核生物物种基因组的中性参考，支持了这一解释。

与原核生物相比，真核生物中HGT的普遍性和功能性后果仍在探索之中。然而，真核生物也拥有产生遗传多样性和结构变异的多种机制，包括基因或基因组复制、引种杂交和某些情况下的HGT。因此，近年来泛基因组模型在真核生物中的应用越来越多。

在两侧对称动物中，泛基因组研究已经确定了与牦牛驯化、鸡的体型和亚洲蜜蜂环境适应相关的结构和基因含量变异。在植物中，泛基因组分析揭示了与马铃薯驯化、柑橘的起源和进化以及杨属的适应性分化相关的基因和结构变异，仅举几个例子。此类研究有助于查明因环境或人为压力而受到选择的精确基因组区域，并可能有助于作物育种的改进。浮游植物泛基因组研究表明，原核生物的HGT扩大了这些真核生物的基因库，对多糖合成和冷适应等性状具有潜在的功能影响。

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泛基因组模型的另一个重要应用是研究病原体和疾病的进化以及AMR基因的传播。对827个与废水和牲畜相关的肠杆菌科基因组进行的分析表明，质粒携带的AMR基因数量相对高于染色体，而且携带AMR基因的质粒表现出强烈的选择特征。作者还表明，分离物之间基因含量的相似性更多取决于地理位置的远近，而不是对家畜宿主的适应性，这表明控制AMR基因的传播可能需要局部控制策略，即使是感染同一宿主物种的病原体也是如此。最后，两项研究为植物和人类病原体中HGT介导的毒力进化提供了见解。

随着越来越多的原核生物和真核生物泛基因组的出现，我们希望看到更多的研究能够阐明在更高分类水平上共同形成基因组的生态进化机制。