Nature Communications:重复的抗生素抗性基因揭示了细菌中的持续选择和水平基因转移

文摘   2024-07-11 08:02   瑞士  

文献信息:Maddamsetti, R., Yao, Y., Wang, T., Gao, J., Huang, V.T., Hamrick, G.S. et al. Duplicated antibiotic resistance genes reveal ongoing selection and horizontal gene transfer in bacteria[J]. Nature Communications. 2024, 15: 1449.

摘要:

水平基因转移(horizontal gene transfer,HGT)和基因复制通常被视为推动新功能进化的独立机制。然而,参与HGT的可移动遗传元件(mobile genetic elements,MGEs)能够复制自身,因此对MGEs的正向选择可能推动基因复制。在本文中,我们结合建模和实验进化来检验这一假设,并利用数万个细菌分离株的长片段基因组序列来检验其在自然界中的普遍性。建模和实验表明,抗生素选择可以通过MGE转座作用推动复制型抗生素抗性基因(ARGs)的进化。一个关键的含义是,复制型ARGs应在与抗生素使用相关的环境中富集。为了验证这一点,我们检查了具有生态元数据的18,938个完整细菌基因组中复制型ARGs的分布情况。复制型ARGs在人类和家畜分离的细菌中高度富集。在另一组独立的321株耐药临床分离株中,复制型ARGs进一步富集。我们的研究结果表明,复制型基因通常编码在微生物群落中经受正向选择和水平基因转移的功能。

基因表达的选择可通过多种分子机制加速重复基因的进化,而基因复制被视为进化新功能和新性状的关键步骤,尤其在适应新代谢和生态位方面发挥重要作用。在没有选择压力时,功能冗余的新复制基因可能退化为单拷贝状态,凸显了选择对于维持复制基因的重要性。特别地,强基因表达的选择对于质粒上重复抗生素耐药基因的保留至关重要。
实验室研究表明,正向选择能通过如串联扩增等机制迅速推动基因重复。尽管已有研究探讨了抗药性或特定代谢功能选择下的基因重复,但关于移动遗传因子如转座子和质粒在促进基因重复中的作用研究较少。MGEs促进DNA在细胞内及细胞间的移动,对ARGs的水平转移尤为关键
我们之前的研究发现,抗生素选择能将转座ARGs从染色体转移到多拷贝质粒上,增加基因表达从而提高抗药性。基于此,我们推测抗生素选择同样有利于染色体内部由转座事件产生的ARGs复制。通过数学建模、实验进化和基因组测序,我们验证了这一假设,并分析了进化种群中转座ARGs的位置和拷贝数变化。
进一步,我们研究了大量采用long-read sequencing technologies的细菌基因组,发现抗生素使用会富集具有重复ARGs的细菌群体。临床分离株中ARGs的重复现象也频繁报道,但这一现象是否普遍尚待确认。我们的分析表明,long-read sequencing technologies解决了short-read sequencing technologies在处理重复序列时的局限,有效揭示了基因组和元基因组中的拷贝数变异。
综上所述,我们的研究结合了建模、实验和生物信息学分析,证明了MGEs是基因复制的重要驱动力,且这些复制往往是适应性的。在人类和家畜相关微生物环境中,复制的ARGs被显著富集,且更可能与MGEs相关联。这些发现强调了微生物群落中重复基因与正向选择和水平基因转移之间的紧密联系。

文中图表:

Fig. 3: Bioinformatic analysis workflow. Genes, represented as colored “beads on a string”, are grouped together based on 100% protein sequence identity. The location of identical proteins (plasmid, chromosome, or unassembled contig sequence) is recorded, along with the number of copies in those locations. Multiple identical protein sequences in a genome are called “duplicated”, while unique protein sequences are called “single-copy”. Antibiotic resistance genes were scored based on NCBI RefSeq protein product annotation. Each genome is categorized into one of twelve ecological categories, or as “Unannotated”, based on the host and isolation source metadata in its NCBI RefSeq record.    

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