细菌的主要信号转导系统按照发现的顺序依次为：血红素感应系统(也称为趋化系统)，主要参与细菌运动性;(2)双组分系统(TCS)，主要用于调节基因表达;(3)第二信使系统，以环磷酸腺苷(cAMP)、环二鸟苷酸(c-di-GMP)、环二腺苷酸(c-di-AMP)等为代表;(4)丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸蛋白激酶(STYKs)和蛋白磷酸酶介导的途径;(5)胞质外σ功能因子(ECFs)作为转录重定向的替代σ因子;(6)群体感应(QS)。此外，也有单组分系统(OCSs)，但OCSs通常与其它信号系统互作。虽然每个信号转导系统都可能独立存在，但它们也相互交织在一起，形成了一个网络，为细菌适应不断变化的环境提供了适应性优势。因此作者提出问题：细菌感应系统的复杂性是如何进化的?包括以下三个问题：

  (i) How are new components and network links added to increase system complexity?(新的信号组件和信号网络连接是如何加入而提高细菌感应系统的复杂性?)

  (ii) What kind of genetic innovations accompany the increase in the number of components?(什么类型的基因会随着信号组件的增加而增加?)

  (iii) Why are some systems abundant but some are absent from different bacterial species?(为什么有的信号系统在细菌内丰富，但在有些细菌中却缺失?)

  图 来自不同生态位的代表物种的信号网络

  作者基于不同系统的信号转导机制，定义了每个系统的复杂性，得到了决定信号组件之间的基本相互作用如何形成，以及更多的相互作用是如何传递的。作者提出，不能将信号转导系统简单地进行分组，如OCS、TCS等，而是需要去认识它们独特的机制，然后解开信号网络的进化关系。作者以弯曲杆菌门的生态进化背景为例，比较了所有信号传导系统的动态变化，发现细菌的信号传导能力和复杂性同时上升和下降。

  不同物种细菌的生态位扩张导致微生物群落更大的基因库，有利于水平基因转移(HGT);同时，伴随环境变化的压力可能引起DNA复制和修复过程中的错误，导致基因复制、丢失、融合和分裂。这些变化不仅增加了已有蛋白的相互作用，而且为新基因和通路，以及信号通路中不同机制的组合创造了机会。因此，拥有庞大信号网络的细菌倾向于使用多步骤或信号分支路径来实现可调控的信息传递过程。

  相反，当细菌在一个受限制的栖息地时，就不再需要大量的感应元件储备，但可能会消耗能量。因此，信号网络与其调控的靶标或通路一起缩减，从而形成了适合特定生活方式的精简基因组。此外，与宿主互作的细菌通常保留简单的OCSs和典型的TCSs，失去了包含多个组件和连接的复杂途径。然而，如果细菌保留信号输出途径，仍然需要信号系统的共进化。信号网络中的所有连接都是基于蛋白与蛋白或蛋白与配体的相互作用。为了确保信号的特异性，需要交互作用的组件共同进化来避免非特异性的串扰，例如的经典的TCS系统。

  参考文献：

  原文：Mo R, Liu Y, Chen Y, Mao Y, Gao B. Evolutionary Principles of Bacterial Signaling Capacity and Complexity. mBio. 2022;13(3):e0076422. doi:10.1128/mbio.00764-22