Гарызантальны перанос генаў у бактэрый
Гарызантальны перанос генаў (ГПГ) — гэта працэс перадачы генетычнага матэрыялу паміж арганізмамі, які адбываецца не праз спадчыну ад бацькоў да нашчадкаў (вертыкальны), а хутчэй «скачкамі» паміж асобінамі, нават паміж відамі. У бактэрый ГПГ з'яўляецца адным з найважнейшых эвалюцыйных механізмаў, паколькі ён дазваляе бактэрыям хутка набываць новыя рысы, не чакаючы працяглых перыядаў выпадковых мутацый і натуральнага адбору. Яго ўплыў шырокі: ад узнікнення ўстойлівасці да антыбіётыкаў, павышэння вірулентнасці патагенаў да з'яўлення новых метабалічных здольнасцей, карысных у экстрэмальных умовах.
Чаму ГТТ важны для бактэрый?
Бактэрыі звычайна размнажаюцца бясполым шляхам шляхам бінарнага дзялення. Тэарэтычна гэта дазваляе бактэрыяльнай генетычнай варыятыўнасці залежаць ад мутацый. Аднак на самой справе бактэрыі могуць «абмяняць» гены праз ГТП, што дазваляе генетычнай варыятыўнасці рэзка ўзрасці за кароткі час. ГТП дапамагае бактэрыям адаптавацца да стрэсавых умоў навакольнага асяроддзя, такіх як прысутнасць антыбіётыкаў, змены ў крыніцах пажыўных рэчываў, атакі імуннай сістэмы гаспадара або канкурэнцыя з іншымі мікробамі.
На папуляцыйным узроўні ГПТ дазваляе бактэрыям спалучаць лепшыя рысы з розных крыніц. Напрыклад, гены, якія кадуюць ферменты, што расшчапляюць таксічныя злучэнні, могуць распаўсюджвацца сярод бактэрыяльных супольнасцей, якія жывуць у забруджаных раёнах. У клінічным кантэксце гэта стварае значную праблему, паколькі гены ўстойлівасці да антыбіётыкаў могуць перадавацца ад непатагенных бактэрый да патагенных, што прыводзіць да інфекцый, якія цяжэй лячыць.
Розніца паміж гарызантальным і вертыкальным пераносам генаў
Вертыкальны перанос генаў адбываецца, калі гены перадаюцца ад бацькоўскіх клетак да даччыных клетак падчас дзялення клетак. Гэтая схема больш падобная на «генеалагічнае дрэва». Наадварот, вертыкальны перанос генаў больш падобны на «сетку», бо гены могуць перамяшчацца паміж рознымі лініямі. У выніку філагенетычныя сувязі паміж бактэрыямі часам цяжка вызначыць па адным гене, бо ген мог паходзіць ад іншага арганізма. Гэта адна з прычын, чаму ў бактэрыяльных філагенетычных аналізах часта выкарыстоўваецца некалькі генаў адначасова або спецыфічныя, адносна кансерватыўныя гены.
Тры асноўныя механізмы ГГТ у бактэрый
Класічна, ГТП у бактэрый адбываецца праз тры асноўныя механізмы: трансфармацыя, трансдукцыя і кан'югацыя. Кожны з іх мае розныя шляхі, патрабаванні і біялагічныя наступствы.
1. Трансфармацыя: атрыманне ДНК з навакольнага асяроддзя
Трансфармацыя — гэта працэс, пры якім бактэрыі паглынаюць аголеную ДНК з навакольнага асяроддзя і ўключаюць яе ў свой геном або падтрымліваюць у выглядзе плазміды. Гэтая аголеная ДНК звычайна паходзіць з іншых бактэрыяльных клетак, якія памерлі і падвергліся лізісу. Не ўсе бактэрыі здольныя да трансфармацыі; бактэрыі павінны знаходзіцца ў «кампетэнтным» стане, пэўным фізіялагічным стане, які дазваляе паглынанне ДНК.
Прыкладамі бактэрый, якія могуць падвяргацца натуральнай трансфармацыі, з'яўляюцца Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis і Neisseria spp. Трансфармацыя можа забяспечыць адаптыўныя перавагі, такія як набыццё генаў, якія робяць бактэрыі больш устойлівымі да антыбіётыкаў, або магчымасць выкарыстання пэўных крыніц вугляроду. У біятэхналогіі трансфармацыя таксама выкарыстоўваецца для ўвядзення рэкамбінантных плазмід у бактэрыі, такія як Escherichia coli, хоць часта з выкарыстаннем штучных метадаў, такіх як цеплавы шок або электрапарацыя.
2. Трансдукцыя: перанос генаў з дапамогай бактэрыяфагаў
Трансдукцыя адбываецца, калі вірус, які заразляе бактэрыі (бактэрыяфаг), выпадкова пераносіць бактэрыяльную ДНК з адной бактэрыяльнай клеткі ў іншую. Існуюць дзве асноўныя формы трансдукцыі:
– Генералізаваная трансдукцыя: адбываецца, калі фаг у літычным цыкле «ўпакоўваецца» з фрагментам бактэрыяльнай ДНК, выпадковым чынам замяняючы фагавую ДНК. У выніку любы фрагмент бактэрыяльнага гена можа быць перанесены далей.
– Спецыялізаваная трансдукцыя: адбываецца ў фагах умеранага клімату, якія інтэгруюцца ў бактэрыяльны геном (прафагі). Калі прафаг выходзіць (выразаецца) няпоўна, ён можа несці гены, размешчаныя паблізу месца інтэграцыі.
Трансдукцыя адыгрывае вырашальную ролю ў распаўсюджванні генаў вірулентнасці. Некалькі вядомых бактэрыяльных таксінаў кадуюцца генамі, якія пераносяцца фагамі, напрыклад, дыфтэрыйны таксін у Corynebacterium diphtheriae і таксін Шыга ў некаторых штамах E. coli. Такім чынам, фагавая інфекцыя можа «мадэрнізаваць» бактэрыі, каб яны сталі больш патагеннымі.
3. Кан'югацыя: перанос ДНК праз непасрэдны кантакт
Кан'югацыя — гэта механізм пераходнай транскрыпцыі (HGT), які ўключае непасрэдны кантакт паміж двума бактэрыяльнымі клеткамі, звычайна праз такую структуру, як палавы пілус. Гэты працэс часта апасродкуецца кан'югацыйнай плазмідай, напрыклад, плазмідай F у E. coli. Донарская клетка, якая нясе кан'югацыйную плазміду, можа ўтварыць кан'югацыйны мост і скапіяваць плазмідную ДНК у клетку-рэцыпіент. Цікава, што кан'югацыя не заўсёды абмяжоўваецца плазмідамі; пры пэўных умовах плазміды могуць мабілізаваць часткі храмасомнай ДНК (напрыклад, у штамах Hfr, з высокай частатой рэкамбінацыі).
Кан'югацыя мае вырашальнае значэнне ў распаўсюджванні ўстойлівасці да антыбіётыкаў, паколькі многія гены рэзістэнтнасці знаходзяцца на плазмідах, якія могуць перадавацца паміж бактэрыямі, нават паміж відамі і родамі. Гэта адна з галоўных прычын з'яўлення бактэрый з множнай лекавай устойлівасцю (МЛУ) у бальніцах і навакольным асяроддзі.
Мабільныя генетычныя элементы, якія падтрымліваюць ГТТ
Акрамя трох асноўных механізмаў, апісаных вышэй, на ГТП у бактэрый значна ўплываюць мабільныя генетычныя элементы, такія як:
– Плазміды: экстрахрамасомная кальцавая ДНК, якая часта нясе гены ўстойлівасці да антыбіётыкаў, фактары вірулентнасці або спецыфічныя метабалічныя шляхі.
– Транспазоны: «скакаючыя гены», якія могуць перамяшчацца ў межах геному або паміж плазмідамі і храмасомамі. Транспазоны часта нясуць гены рэзістэнтнасці.
– Інтэгроны: сістэмы, здольныя захопліваць і экспрэсаваць генныя касеты, часта якія змяшчаюць гены рэзістэнтнасці. Інтэгроны адыгрываюць важную ролю ў клінічна патагенных бактэрыях.
– Геномныя астраўкі: вялікія сегменты ДНК, атрыманыя з дапамогай ГГТ, якія могуць утрымліваць гены вірулентнасці (астраўкі патагеннасці) або спецыяльныя метабалічныя здольнасці.
З-за гэтых элементаў бактэрыі нібыта маюць «модульную прыладу», якую можна дадаваць або выдаляць у залежнасці ад патрэб адаптацыі.
Уплыў ГГТ: ад эвалюцыі да здароўя чалавека
Устойлівасць да антыбіётыкаў
Найважнейшай праблемай, звязанай з пераходам на высокія тэрмаўтварэнні (HGT), з'яўляецца распаўсюджванне ўстойлівасці да антыбіётыкаў. Такія гены, як bla (бэта-лактамаза), mecA (рэзістэнтнасць да метыцыліну ў MRSA) або гены помпаў адтоку, могуць хутка распаўсюджвацца праз плазміды і транспазоны. Пры шырокім ужыванні антыбіётыкаў (у клініках, жывёлагадоўлі і сельскай гаспадарцы) ціск адбору павялічваецца, таму бактэрыі, якія набываюць гены ўстойлівасці праз HGT, выжываюць і дамінуюць.
Вірулентнасць і новыя патагены
ГТГ таксама правакуе з'яўленне новых патагенных штамаў. Бактэрыі могуць набываць гены адгезіі, інвазіі, таксінаў або сістэм сакрэцыі, што дазваляе больш эфектыўна інфікаваць. Часам раней адносна бяскрыўдныя бактэрыі могуць стаць патагеннымі з-за «пакета» генаў вірулентнасці з геномных астраўкоў або фагаў.
Адаптацыя да навакольнага асяроддзя і біярэмедыяцыя
Акрамя медыцыны, ГТП карысны ў мікробнай экалогіі. Бактэрыі могуць набыць здольнасць раскладаць вуглевадароды, пестыцыды або цяжкія металы, тым самым спрыяючы працэсам біярэмедыяцыі. У экстрэмальных умовах ГТП можа распаўсюджваць гены, звязаныя з талерантнасцю да высокіх тэмператур, салёнасці або экстрэмальнага pH.
Як навукоўцы вывучаюць ГГТ?
ГТГ вывучаецца з дапамогай лабараторных эксперыментаў і геномнага аналізу. Геномна ГТГ можна выявіць, шукаючы адрозненні ў складзе асноў (напрыклад, змест GC), якія адрозніваюцца ад асноўнага геному, наяўнасць генаў, больш падобных да генаў аддалена роднасных арганізмаў, або наяўнасць мабільных элементаў, такіх як транспозазы. Філагенетычны аналіз таксама можа выявіць «неадпаведнасці», калі эвалюцыйнае дрэва гена не супадае з эвалюцыйным дрэвам яго віду.
Закрыццё
Гарызантальны перанос генаў у бактэрый — магутны рухавік эвалюцыі. Праз трансфармацыю, трансдукцыю і кан'югацыю, якія падтрымліваюцца плазмідамі, транспазонамі, інтэгронамі і геномнымі астраўкамі, бактэрыі здольныя хутка набываць новыя рысы. З аднаго боку, ГПТ дапамагае бактэрыям адаптавацца і падтрымліваць дынаміку мікробных экасістэм. З іншага боку, ГПТ стварае сур'ёзную праблему для здароўя чалавека, паскараючы распаўсюджванне ўстойлівасці да антыбіётыкаў і фактараў вірулентнасці. Разуменне механізмаў і заканамернасцей ГПТ мае вырашальнае значэнне для распрацоўкі стратэгій барацьбы з інфекцыямі, разумнага выкарыстання антыбіётыкаў і распрацоўкі новых метадаў лячэння, накіраваных на вырашэнне праблемы пастаянна зменлівай прыроды бактэрый.
