16、水平基因转移“高速公路”的检测

水平基因转移“高速公路”的检测

1. 引言

水平基因转移（HGT），也称为侧向基因转移，是一种进化过程，在此过程中基因会在没有祖先 - 后代关系的两个生物体之间进行转移。HGT 在细菌进化中起着重要作用，它使细菌能够跨越物种边界转移基因。当抗生素抗性基因的转移被发现时，不同生物间的基因转移就成为了研究焦点。微生物学家很快意识到，不相关物种间的基因共享所产生的进化模式与多细胞动物中的模式截然不同。从那时起，检测水平转移基因的问题就得到了广泛研究。

理解微生物进化的一个重要问题是推断一组物种进化过程中发生的 HGT 事件（即每次 HGT 的供体和受体）。这个问题通常在比较基因组学框架下，通过采用简约标准来解决，其依据是水平转移基因的进化历史与相应物种集合的进化历史不一致。

然而，HGT 推断问题已知是 NP 难的，并且其一些变体也得到了广泛研究。一般来说，预计任意一对物种之间最多只有少数基因发生水平转移。但 Beiko 等人证明，有些物种对呈现出大量的水平基因转移事件，这样的物种对被称为由基因共享“高速公路”连接。基因共享“高速公路”指向进化历史中的重大事件，例如内共生体被真核宿主吸收，以及从共生体向宿主核基因组转移的许多基因。检测这些基因共享“高速公路”是一个重要的生物学问题，对于推断塑造生物进化的过去共生关联至关重要。

现有的检测“高速公路”的方法存在一些严重缺点，如 HGT 推断问题是 NP 难的，难以精确求解，可能有多个替代最优解，且当 HGT 速率较高时，简约标准可能无法推断出实际的 HGT 事件。因此，本文提出了一种不依赖于推断单个 HGT 事件的替代方法，该方法允许在多项式时间内精确解决问题。

2. 基本定义和预备知识