DNA double-strand breaks (DSBs) are a threat to genome stability. In all domains of life, DSBs are faithfully fixed via homologous recombination. Recombination requires the presence of an uncut copy of duplex DNA which is used as a template for repair. Alternatively, in the absence of a template, cells utilize error-prone nonhomologous end joining (NHEJ). Although ubiquitously found in eukaryotes, NHEJ is not universally present in bacteria. It is unclear as to why many prokaryotes lack this pathway. Toward understanding what could have led to the current distribution of bacterial NHEJ, we carried out comparative genomics and phylogenetic analysis across ∼6,000 genomes. Our results show that this pathway is sporadically distributed across the phylogeny. Ancestral reconstruction further suggests that NHEJ was absent in the eubacterial ancestor and can be acquired via specific routes. Integrating NHEJ occurrence data for archaea, we also find evidence for extensive horizontal exchange of NHEJ genes between the two kingdoms as well as across bacterial clades. The pattern of occurrence in bacteria is consistent with correlated evolution of NHEJ with key genome characteristics of genome size and growth rate; NHEJ presence is associated with large genome sizes and/or slow growth rates, with the former being the dominant correlate. Given the central role these traits play in determining the ability to carry out recombination, it is possible that the evolutionary history of bacterial NHEJ may have been shaped by requirement for efficient DSB repair.

中文翻译：

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细菌异源端接修复的演化与比较分析

DNA 双链断裂 (DSB) 对基因组稳定性构成威胁。在生命的所有领域中，DSB 通过同源重组忠实地固定。重组需要存在用作修复模板的双链 DNA 的未切割副本。或者，在没有模板的情况下，细胞利用容易出错的非同源末端连接 (NHEJ)。虽然在真核生物中普遍存在，但 NHEJ 并不普遍存在于细菌中。目前尚不清楚为什么许多原核生物缺乏这种途径。为了了解导致当前细菌 NHEJ 分布的原因，我们对约 6,000 个基因组进行了比较基因组学和系统发育分析。我们的结果表明，该途径在系统发育中零星分布。祖先重建进一步表明真细菌祖先中不存在NHEJ，并且可以通过特定途径获得。整合古细菌的 NHEJ 发生数据，我们还发现了 NHEJ 基因在两个王国之间以及细菌进化枝之间广泛水平交换的证据。细菌中的发生模式与 NHEJ 的相关进化与基因组大小和生长速率的关键基因组特征一致；NHEJ 的存在与大的基因组大小和/或缓慢的生长速度有关，前者是主要的相关因素。鉴于这些特征在确定进行重组的能力中所起的核心作用，细菌 NHEJ 的进化历史可能是由有效 DSB 修复的需求所塑造的。整合古细菌的 NHEJ 发生数据，我们还发现了 NHEJ 基因在两个王国之间以及细菌进化枝之间广泛水平交换的证据。细菌中的发生模式与 NHEJ 的相关进化与基因组大小和生长速率的关键基因组特征一致；NHEJ 的存在与大的基因组大小和/或缓慢的生长速度有关，前者是主要的相关因素。鉴于这些特征在确定进行重组的能力中所起的核心作用，细菌 NHEJ 的进化历史可能是由有效 DSB 修复的需求所塑造的。整合古细菌的 NHEJ 发生数据，我们还发现了 NHEJ 基因在两个王国之间以及细菌进化枝之间广泛水平交换的证据。细菌中的发生模式与 NHEJ 的相关进化与基因组大小和生长速率的关键基因组特征一致；NHEJ 的存在与大的基因组大小和/或缓慢的生长速度有关，前者是主要的相关因素。鉴于这些特征在确定进行重组的能力中所起的核心作用，细菌 NHEJ 的进化历史可能是由有效 DSB 修复的需求所塑造的。细菌中的发生模式与 NHEJ 的相关进化与基因组大小和生长速率的关键基因组特征一致；NHEJ 的存在与大的基因组大小和/或缓慢的生长速度有关，前者是主要的相关因素。鉴于这些特征在确定进行重组的能力中所起的核心作用，细菌 NHEJ 的进化历史可能是由有效 DSB 修复的需求所塑造的。细菌中的发生模式与 NHEJ 的相关进化与基因组大小和生长速率的关键基因组特征一致；NHEJ 的存在与大的基因组大小和/或缓慢的生长速度有关，前者是主要的相关因素。鉴于这些特征在确定进行重组的能力中所起的核心作用，细菌 NHEJ 的进化历史可能是由有效 DSB 修复的需求所塑造的。