必需基因（essential gene）名如其实，是维持生命存活最重要的一类功能基因，其序列突变后会导致生物死亡或不育，一般参与最重要的生理学过程，比如细胞分裂、大分子合成、细胞器的发育和细胞分化等。由于必需基因具有“不能乱变，变了会死”这个特点，此类基因的突变受到自然选择的强烈压制，在进化上往往非常保守。正因如此，必需基因及其功能的进化是生命科学的一个难题：如果发生和积累突变如此之难，那么必需基因，尤其是那些具有调控功能的必需基因，在进化历史上是如何起源和进化的？

双组分信号转导系统是细菌感知外界刺激并调控自身适应性的核心机制，又被形象地称为细菌的“智商（bacterial IQ）”。其中，PhoP-PhoQ系统是一个代表性的研究模式，也是生命科学领域被研究得最为透彻的细胞信号转导系统之一。PhoP-PhoQ系统控制很多病原细菌的致病过程，包括人们熟悉的大肠杆菌、沙门氏菌、志贺式菌、鼠疫杆菌、铜绿假单胞菌等。其中，PhoQ是一个信号受体，特异性地感知生存环境中的Mg²⁺, Ca²⁺, pH值和抗菌肽信号。PhoP则是一个转录因子，通过结合启动子区控制下游基因转录。在以往被研究过的所有细菌中，PhoP-PhoQ系统的编码基因具有一个共同的特点：它们都可以被突变，因而属于典型的非必需基因。

中科院微生物所钱韦研究组致力于研究病原细菌感知寄主植物和环境刺激的分子机制。他们在研究中发现一个有趣的进化现象：在一种植物病原细菌－野油菜黄单胞菌中，phoP-phoQ的同源基因突变后导致细胞分裂异常和死亡，是该细菌生存不可或缺的必需基因。这表明在进化过程中，野油菜黄单胞菌的PhoP-PhoQ系统获得了“必需性”这个重要的生物学功能，堪称该细菌的“必需智商”。那么，回溯其进化历史，黄单胞菌的PhoP-PhoQ为何与众不同，这个调控系统是如何进化出必需功能的呢？

经过遗传学、生物化学和组学分析，他们发现这一功能进化现象既不是由于phoP-phoQ基因的序列本身发生变异引起的，也不是由于转录因子PhoP结合的DNA特征序列（motif）发生了多大的遗传变异引起的，而是由于在细菌物种的形成过程中，转录因子PhoP与下游被调控基因的启动子区发生了重新组合和重新配对。这导致在黄单胞菌中， PhoP能结合至少4个必需结构基因的启动子，控制它们的表达。作为必需结构基因的控制系统，PhoQ-PhoP自然也就获得了必需性。然而，在作为对照研究的铜绿假单胞菌中，上述4个必需结构基因的启动子缺乏PhoP结合位点，因而它们的表达完全不受PhoQ-PhoP系统控制，其PhoP-PhoQ系统基因的突变自然也就不会导致细菌死亡。用遗传学术语来讲，就是在野油菜黄单胞菌的进化过程中，其PhoQ-PhoP的必需性起源于一系列转录因子－顺式调控元件重联接（rewiring）事件，使其从非必需基因进化成为必需基因。这项研究阐明了必需调控系统PhoP-PhoQ核心功能起源和进化的分子生物学机制。

由于PhoP-PhoQ对于野油菜黄单胞菌的生存具有极端重要的意义，这个调控系统是未来发展新型抗菌化合物的特异分子靶标。上述研究成果以“An Essential Regulatory System Originating from Polygenic Transcriptional Rewiring of PhoP-PhoQ of Xanthomonas campestris”为题，发表在美国遗传学会旗下的主力期刊Genetics上。中科院微生物所的博士研究生彭宝玉、潘越和中科院基因组研究所的李茹娇高级工程师是论文的并列第一作者。中科院微生物所马旅雁研究组提供了铜绿假单胞菌实验材料。此项研究获得了国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：http://www.genetics.org/content/early/2017/05/26/genetics.117.200204.figures-only