前言

不同生命领域之间的水平基因转移越来越被认为是重要的进化驱动力，有可能加快生化创新和环境适应的步伐。然而，从外来域募集外源基因的机制大多是未知的。整合子是促进细菌内这一过程的遗传元素家族。它们尚未在细菌之外报道，因此它们在跨域基因转移中的潜在作用尚未得到研究。

不同生命领域之间的水平基因转移可能是物种进化的主要驱动力。现在有许多基因在古菌、细菌和真核生物之间转移的例子。这些基因转移的后果包括获得新的生化功能和定植特定环境生态位的能力。然而，大多数这些转移事件的分子机制是未知的。

整合子是已知可促进细菌内水平基因转移的遗传元件。整合子可以通过位点特异性重组捕获外源基因，称为基因盒。基因盒捕获由整合子整合酶介导，该整合酶催化插入盒的重组位点与内源性整合子附着位点之间的重组，紧邻intI基因。

多个基因盒可以插入单个整合子中，形成范围从1到超过200个连续盒的盒式阵列。整合子最广为人知的是，它们通过在细菌病原体中传播各种耐药性决定因素，在推动全球抗生素耐药性危机中的作用。整合子在细菌进化和生态位适应中起着更广泛的作用。

仅在细菌基因组中发现了整合子，它们已经在不同的门中检测到。基因盒扩增子测序已经产生了与古菌蛋白。如果没有更广泛的基因组背景，这些基因盒的分类学居住地是未知的。筛选所有公开可用的古菌基因组，以表明整合子不仅限于细菌，而且还存在于古菌中。

古菌整合子表现出与细菌整合子相同的特征和功能成分。通过整合子介导的重组，细菌宿主可以成功招募不同的古菌基因盒。这种机制可以让细菌招募存在于其周围环境中的古菌基因盒，这对原核生物进化具有重要意义。

古菌中整合子的发现

在古菌域中发现的整合子，使用应用于细菌中整合子调查的标准标准筛选了 24个古菌基因组的整合子。这些包括IntI基因和基因盒attC的簇，在来自九个门的75个古细菌宏基因组组装基因组中鉴定了整合子。

仅在MAG中检测到整合子并不意外，因为它们占所有可用古菌基因组的大约95%。为了确保这些整合子不是由污染细菌重叠群产生的，这些细菌重叠群与古菌MAGs错误地分箱。在75个古菌基因组中检测到539个IntIs和1个attC位点。古菌整合子具有斑块分布，在古菌的系统发育中具有不同的患病率。

约有7%的携带整合子的MAG在与整合子相同的重叠群上至少有一个古菌系统发育标记基因，证实这些基因位于古菌染色体上。没有整合子与细菌标记基因共定位。用于该分析的标记由一组全面的233种标记蛋白组成，这些标记蛋白被确定为适合系统发育推断。

Asgardarchaeota贡献了最多的基因组，具有可检测的整合子和最多的基因盒，尽管数据集中的基因组相对较少。还在来自Hadarchaeota，Hydrothermoarchaeota和Korarchaeia的3%至4%的基因组中检测到整合子，尽管这些基因组包含的可用基因组很少。

在细菌中也观察到了整合子的斑片状系统发育分布。在变形杆菌门中，整合子富集在Gammaproteobacteria类中，而在其姊妹类α变形细菌中完全不存在。这是有趣的，因为在更远的亲缘细菌门如蓝藻，螺旋体，Planctomyceta，Chloroflexota，拟杆菌和脱磺杆菌中检测到整合子的患病率差异很大。

古菌整合子的遗传结构

古菌整合子表现出与细菌整合子盒阵列相同的结构和功能成分，短开放阅读框的串联阵列，通常方向相同，穿插着attC重组位点。古菌attCs表现出与细菌attCs相同的单链折叠结构，这对于它们作为结构特异性DNA重组位点至关重要。

古菌IntI表现出细菌IntI的定义特征，是酪氨酸重组酶，其具有独特的IntI特异性附加结构域，围绕整合子介导的重组所必需的补丁III基序区域。

确定的大多数古菌整合子是CALIN，考虑到MAG的碎片化性质以及在细菌基因组中也发现的CALIN的高患病率。细菌中CALIN比具有intI基因的整合子更丰富，并且表现出更广泛的分类分布。CALIN内的盒式磁带仍然可以被外源性IntI切除或捕获，无论是反式还是在从裂解细胞摄取DNA之后。

即使没有IntI基因，CALINs在生态和进化上仍然很重要。在古菌中还检测到两种所谓的“In0”元素。这些是具有没有相邻attC位点的intI基因的整合子。具有In0的两个古细菌基因组在其他重叠群上也有attC位点簇。同一重叠群上最长的attC数组为12。在单个MAG中发现了多达18个attCs，单个MAG中的attC数量从2到107不等。

跨域基因转移平台

带有来自不同门的attC的古菌基因盒可以被细菌识别和招募。我们证明了在环状DNA分子与古细菌attCs 偶联到携带细菌1类整合子的大肠杆菌受体中后，可以发生盒插入。通过聚合酶链反应扩增的attC或attI重组连接的Sanger测序确认插入事件。

最具临床意义的一类整合子可以像细菌盒一样有效地募集古菌盒，1类整合子是高度混杂的，因为它们与不同的移动遗传元件有关，促进它们传播到来自104属的至少44种细菌物种。它们共同携带130多种不同的抗性基因，其中大多数是未知的分类起源。

整合子基因盒的跨域转移可能很普遍，从六个古菌基因组中检测到23个attCs，这些基因组在测序的细菌整合子中表现出95%至100%的核苷酸与attCs的同一性。古菌attC来自三个门： Nanoarchaeota，Thermoproteota和Hadarchaeota 。

细菌中的同源attCs在五个门的26个基因组中发现：变形杆菌，螺旋体，粘球菌，硝基螺旋体和脱磺杆菌。其中一个attC位点与1类整合子基因盒相关，编码在五个不同的肠杆菌科质粒上发现的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸依赖性氧化还原酶的还原形式。

在古细菌中这个attC位点是编码未知功能的配体结合蛋白的盒式磁带的一部分，由于强attC同源性是具有相同分类起源的盒式磁带的特征。编码假定成瘾模块的古菌盒与细菌盒共享0.21856%的核苷酸同源性，这足以证明最近的共同祖先基因已在两个结构域之间转移。

对盒式核糖体结合位点的分析表明，在古菌基因组中观察到的基因盒可以通过来自两个原核结构域的分类群表达。与古菌整合子相关的所有RBS基序分别存在于完整的古菌和细菌基因组中。在跨域转移之后，基因盒有可能在其新的古菌或细菌宿主内表达。

attC重组位点的多样性

古菌IntI在系统发育上与细菌Intis不同。我们从四个古菌门中检测到了六个IntI。其中三个被排除在基于短序列长度或IntI特异性结构域部分覆盖的进一步系统发育分析之外。发现古菌Intis与已知的细菌Intis分开形成自己的单系分支。

在细菌的一次古代获取事件之后，古菌内部发生了 IntI辐射。无论如何，我们表明来自不同古菌门的IntI，从不同的环境中分离出来，彼此之间的亲缘关系比它们与任何细菌IntI的关系更密切。

与古菌Intis最接近的姐妹分支包括两个螺旋毛虫Intis 。这两个IntI在系统发育上不同于“典型的”螺旋毛类IntI，其通常是相反的方向。

携带非典型Intis的两种螺旋体与极端环境隔离：分别是碱性湖泊和温泉内的盐水层 ;已知具有相对高丰度的古菌的环境。这些非典型的螺旋毛类Intis可能是从共享相同极端环境的古菌水平获得的，尽管基因转移的方向无法确定。

古菌attC表现出广泛的序列和结构多样性，一些古菌门具有多样性有限的attCs，而其他门具有分布在整个attC多样性空间中的极其可变的attCs。这种分布可能表明不同的分类群具有不同的基因盒水平交换倾向。

古菌attCs在基因组内明显比基因组之间更相似。这一特征也是染色体细菌整合子。我们还表明，来自同一古菌顺序的不同基因组之间的attC比来自不同顺序的基因组之间的attC更相似。

促进或限制attC多样性的生态和进化力量对于古菌和细菌来说可能是相似的，来自古菌和细菌的attC的序列和结构多样性存在广泛的重叠，它们通常被放置在同一个分支中。

这提供了古菌和细菌attC之间存在机制重叠的证据，并表明两个结构域之间的基因盒转移确实发生。表明不同类别的整合子可以促进额外结构域基因盒的募集，其中有数千个。整合子在两个结构域中的广泛分布表明，整合子介导的转移在原核进化中起着重要作用。

结论

研究发现古菌盒的功能与其环境有关，功能族根据其特定环境进行聚类，而这些环境聚类又根据其更广泛的环境类型进行分组。这种环境明确的聚类可能是当地生态和进化力量的结果。

古菌中的基因盒赋予生态位特异性功能特征或盒式磁带的水平转移，这些功能特征发生在位于同一环境中的古菌门之间。

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