Հորիզոնական գեների փոխանցումը մանրէներում
Հորիզոնական գեների փոխանցումը (ՀԳՓ) օրգանիզմների միջև գենետիկական նյութի փոխանցման գործընթաց է, որը տեղի չի ունենում ծնողից սերունդ ժառանգելու միջոցով (ուղղահայաց), այլ «ցատկերի» միջոցով անհատների միջև, նույնիսկ տարբեր տեսակների միջև: Բակտերիաների մոտ ՀԳՓ-ն ամենակարևոր էվոլյուցիոն մեխանիզմներից մեկն է, քանի որ այն թույլ է տալիս մանրէներին արագորեն ձեռք բերել նոր հատկանիշներ՝ առանց պատահական մուտացիայի և բնական ընտրության երկար ժամանակահատվածներ սպասելու: Դրա ազդեցությունը լայնածավալ է՝ սկսած հակաբիոտիկների նկատմամբ դիմադրության ի հայտ գալուց, պաթոգենների վիրուլենտության աճից մինչև ծայրահեղ միջավայրերում օգտակար նոր նյութափոխանակության կարողությունների ի հայտ գալը:
Ինչո՞ւ է HGT-ն կարևոր մանրէների համար։
Բակտերիաները սովորաբար բազմանում են անսեռ եղանակով՝ երկուական բաժանման միջոցով։ Տեսականորեն սա թույլ է տալիս, որ բակտերիաների գենետիկական տատանումները կախված լինեն մուտացիաներից։ Սակայն, իրականում, բակտերիաները կարող են «փոխանակել» գեները HGT-ի միջոցով, ինչը թույլ է տալիս գենետիկական տատանումները կտրուկ աճել կարճ ժամանակում։ HGT-ն օգնում է բակտերիաներին հարմարվել շրջակա միջավայրի սթրեսներին, ինչպիսիք են հակաբիոտիկների առկայությունը, սննդանյութերի աղբյուրների փոփոխությունները, տիրոջ իմունային համակարգի հարձակումները կամ այլ մանրէների հետ մրցակցությունը։
Պոպուլյացիայի մակարդակում HGT-ն թույլ է տալիս մանրէներին համատեղել տարբեր աղբյուրներից ստացված գերազանց հատկանիշները: Օրինակ, թունավոր միացությունները քայքայող ֆերմենտները կոդավորող գեները կարող են տարածվել աղտոտված տարածքներում ապրող մանրէային համայնքների շրջանում: Կլինիկական համատեքստում սա լուրջ խնդիր է առաջացնում, քանի որ հակաբիոտիկների նկատմամբ կայունության գեները կարող են փոխանցվել ոչ պաթոգեն մանրէներից պաթոգեններին, ինչը հանգեցնում է ավելի դժվար բուժվող վարակների:
Հորիզոնական և ուղղահայաց գեների փոխանցման միջև տարբերությունը
Ուղղահայաց գեների փոխանցումը տեղի է ունենում, երբ գեները մայր բջիջներից դուստր բջիջներին են փոխանցվում բջջային բաժանման ընթացքում: Այս օրինաչափությունը համեմատաբար «տոհմածառ» է: Ի տարբերություն դրա, HGT-ն ավելի շատ նման է «ցանցի», քանի որ գեները կարող են տեղաշարժվել տարբեր տոհմածառերի միջև: Արդյունքում, մանրէների միջև ֆիլոգենետիկ կապերը երբեմն դժվար է որոշել մեկ գենից, քանի որ գենը կարող է ծագել մեկ այլ օրգանիզմից: Սա այն պատճառներից մեկն է, թե ինչու բակտերիալ ֆիլոգենետիկ վերլուծությունները հաճախ միաժամանակ օգտագործում են մի քանի գեներ կամ օգտագործում են որոշակի, համեմատաբար պահպանողական գեներ:
Բակտերիաներում HGT-ի երեք հիմնական մեխանիզմներ
Դասականորեն, HGT-ն մանրէներում տեղի է ունենում երեք հիմնական մեխանիզմով՝ տրանսֆորմացիա, տրանսդուկցիա և կոնյուգացիա։ Յուրաքանչյուրն ունի տարբեր ուղիներ, պահանջներ և կենսաբանական ազդեցություններ։
1. Տրանսֆորմացիա. ԴՆԹ-ի վերցում շրջակա միջավայրից
Տրանսֆորմացիան այն գործընթացն է, որի միջոցով մանրէները իրենց միջավայրից վերցնում են մերկ ԴՆԹ-ն և այն ներառում իրենց գենոմի մեջ կամ պահպանում են որպես պլազմիդ: Այս մերկ ԴՆԹ-ն սովորաբար առաջանում է այլ մանրէային բջիջներից, որոնք մահացել և ենթարկվել են լիզիսի: Ոչ բոլոր մանրէներն են ունակ տրանսֆորմացիայի. մանրէները պետք է լինեն «կոմպետենտ» վիճակում, որը որոշակի ֆիզիոլոգիական վիճակ է, որը թույլ է տալիս ԴՆԹ-ի կլանումը:
Բնական փոխակերպման ենթարկվող մանրէների օրինակներից են Streptococcus pneumoniae-ն, Bacillus subtilis-ը և Neisseria spp-ն: Փոխակերպումը կարող է ապահովել հարմարվողական առավելություններ, ինչպիսիք են գեների ձեռքբերումը, որոնք մանրէները դարձնում են ավելի դիմացկուն հակաբիոտիկների նկատմամբ կամ հնարավորություն տալով օգտագործել ածխածնի որոշակի աղբյուրներ: Կենսատեխնոլոգիայում փոխակերպումը նաև օգտագործվում է մանրէների, օրինակ՝ Escherichia coli-ի, մեջ ռեկոմբինանտ պլազմիդներ ներմուծելու համար, չնայած հաճախ օգտագործվում են արհեստական մեթոդներ, ինչպիսիք են ջերմային շոկը կամ էլեկտրոպորացիան:
2. Տրանսդուկցիա. գեների փոխանցում բակտերիոֆագերի միջոցով
Տրանսդուկցիան տեղի է ունենում, երբ վիրուսը, որը վարակում է մանրէները (բակտերիոֆագ), պատահաբար մանրէային ԴՆԹ-ն տեղափոխում է մեկ մանրէային բջջից մյուսը։ Տրանսդուկցիայի երկու հիմնական ձև կա.
– Ընդհանրացված տրանսդուկցիա. տեղի է ունենում, երբ լիտիկ ցիկլի ֆագը «փաթեթավորվում է» բակտերիալ ԴՆԹ-ի մի հատվածի հետ՝ պատահականորեն փոխարինելով ֆագի ԴՆԹ-ին։ Արդյունքում, ցանկացած բակտերիալ գենի հատված ունի տեղափոխման ներուժ։
– Մասնագիտացված տրանսդուկցիա. տեղի է ունենում չափավոր ֆագերում, որոնք ինտեգրվում են բակտերիալ գենոմի մեջ (պրոֆագեր): Երբ պրոֆագը թերի է դուրս գալիս (անջատվում), այն կարող է կրել ինտեգրման վայրի մոտ գտնվող գեներ:
Տրանսդուկցիան կարևոր դեր է խաղում վիրուլենտության գեների տարածման գործում: Մի քանի հայտնի բակտերիալ տոքսիններ կոդավորվում են ֆագերի կողմից կրվող գեների կողմից, ինչպիսիք են Corynebacterium diphtheriae-ի դիֆթերիայի տոքսինը և E. coli-ի որոշ շտամների Շիգա տոքսինը: Այսպիսով, ֆագային վարակը կարող է «թարմացնել» բակտերիաները՝ դրանք դարձնելով ավելի պաթոգեն:
3. Կոնյուգացիա. ԴՆԹ-ի փոխանցում անմիջական շփման միջոցով
Կոնյուգացիան HGT-ի մեխանիզմ է, որը ներառում է երկու բակտերիալ բջիջների միջև անմիջական շփում, սովորաբար այնպիսի կառուցվածքի միջոցով, ինչպիսին է սեռական պիլուսը: Այս գործընթացը հաճախ միջնորդվում է կոնյուգատիվ պլազմիդով, ինչպիսին է E. coli-ի F պլազմիդը: Կոնյուգատիվ պլազմիդ կրող դոնոր բջիջը կարող է ձևավորել կոնյուգացիոն կամուրջ և պատճենել պլազմիդային ԴՆԹ-ն ընդունող բջջի մեջ: Հետաքրքիր է, որ կոնյուգացիան միշտ չէ, որ սահմանափակվում է պլազմիդներով. որոշակի պայմաններում պլազմիդները կարող են մոբիլիզացնել քրոմոսոմային ԴՆԹ-ի մասեր (օրինակ՝ Hfr շտամներում՝ ռեկոմբինացիայի բարձր հաճախականությամբ):
Կոնյուգացիան կարևոր դեր է խաղում հակաբիոտիկների նկատմամբ կայունության տարածման գործում, քանի որ դիմադրության շատ գեներ գտնվում են պլազմիդների վրա, որոնք կարող են փոխանցվել բակտերիաների միջև, նույնիսկ տեսակների և սեռերի միջև: Սա հիվանդանոցներում և շրջակա միջավայրում բազմադեղորայքակայուն (MDR) բակտերիաների ի հայտ գալու հիմնական պատճառներից մեկն է:
Շարժական գենետիկական տարրեր, որոնք աջակցում են HGT-ին
Բացի վերը նշված երեք հիմնական մեխանիզմներից, մանրէների մոտ HGT-ն մեծապես կախված է շարժական գենետիկական տարրերից, ինչպիսիք են՝
– Պլազմիդներ՝ արտաքրոմոսոմային շրջանաձև ԴՆԹ, որը հաճախ կրում է հակաբիոտիկների նկատմամբ դիմադրության գեներ, վիրուլենտության գործոններ կամ որոշակի նյութափոխանակության ուղիներ։
– Տրանսպոզոններ. «ցատկող գեներ», որոնք կարող են տեղաշարժվել գենոմի ներսում կամ պլազմիդների և քրոմոսոմների միջև։ Տրանսպոզոնները հաճախ կրում են դիմադրության գեներ։
– Ինտեգրոններ. համակարգեր, որոնք կարող են որսալ և արտահայտել գեների կասետներ, որոնք հաճախ պարունակում են դիմադրության գեներ: Ինտեգրոնները մեծ դեր են խաղում կլինիկորեն պաթոգեն մանրէներում:
– Գենոմային կղզիներ. ՀԳՏ-ի միջոցով ստացված ԴՆԹ-ի մեծ հատվածներ, որոնք կարող են պարունակել վիրուլենտության գեներ (պաթոգենության կղզիներ) կամ հատուկ նյութափոխանակության ունակություններ։
Այս տարրերը մանրէներին թվում է, թե ունեն «մոդուլային սարք», որը կարող է ավելացվել կամ հեռացվել՝ հարմարվողականության կարիքներին համապատասխան։
ՀԳՏ-ի ազդեցությունը. էվոլյուցիայից մինչև մարդու առողջություն
Հակաբիոտիկների նկատմամբ կայունություն
ՀԳՏ-ի հետ կապված ամենակարևոր խնդիրը հակաբիոտիկների նկատմամբ կայունության տարածումն է: Այնպիսի գեները, ինչպիսիք են bla-ն (բետա-լակտամազ), mecA-ն (մեթիցիլինի նկատմամբ կայունություն MRSA-ում) կամ էֆլյուքս պոմպերի գեները, կարող են արագ տարածվել պլազմիդների և տրանսպոզոնների միջոցով: Երբ հակաբիոտիկները լայնորեն օգտագործվում են (կլինիկաներում, անասնապահության մեջ և գյուղատնտեսությունում), ընտրության ճնշումը մեծանում է, ուստի ՀԳՏ-ի միջոցով կայունության գեներ ձեռք բերող մանրէները կգոյատևեն և կգերակշռեն:
Վիրուլենտություն և նոր հարուցիչներ
ՀԳՏ-ն նաև խթանում է նոր պաթոգեն շտամների ի հայտ գալը: Բակտերիաները կարող են ձեռք բերել գեներ ադհեզիայի, ներխուժման, տոքսինների կամ սեկրեցիայի համակարգերի համար, ինչը հնարավորություն է տալիս ավելի արդյունավետ վարակվել: Երբեմն նախկինում համեմատաբար անվնաս բակտերիաները կարող են դառնալ պաթոգեն՝ գենոմային կղզիներից կամ ֆագերից եկող վիրուլենտության գեների «փաթեթի» պատճառով:
Շրջակա միջավայրի հարմարվողականություն և կենսավերականգնում
Բժշկությունից զատ, HGT-ն օգտակար է նաև մանրէային էկոլոգիայում: Բակտերիաները կարող են ձեռք բերել ածխաջրածիններ, թունաքիմիկատներ կամ ծանր մետաղներ քայքայելու ունակություն, այդպիսով նպաստելով կենսավերականգնման գործընթացներին: Ծայրահեղ միջավայրերում HGT-ն կարող է տարածել բարձր ջերմաստիճանների, աղիության կամ ծայրահեղ pH-ի նկատմամբ դիմադրողականության հետ կապված գեները:
Ինչպե՞ս են գիտնականները ուսումնասիրում HGT-ն։
ՀԳՏ-ն ուսումնասիրվում է լաբորատոր փորձերի և գենոմային վերլուծության միջոցով: Գենոմիկորեն ՀԳՏ-ն կարելի է հայտնաբերել՝ փնտրելով հիմնական գենոմից շեղվող հիմքերի կազմի տարբերությունները (օրինակ՝ GC պարունակությունը), հեռավոր ազգակից օրգանիզմների գեներին ավելի նման գեների առկայությունը կամ շարժական տարրերի, ինչպիսիք են տրանսպոզազները, առկայությունը: Ֆիլոգենետիկ վերլուծությունը կարող է նաև բացահայտել «անհամապատասխանություններ», երբ գենի էվոլյուցիոն ծառը չի համընկնում իր տեսակի էվոլյուցիոն ծառի հետ:
Penutup
Բակտերիաների մոտ հորիզոնական գեների փոխանցումը էվոլյուցիայի հզոր շարժիչ ուժ է: Տրանսֆորմացիայի, տրանսդուկցիայի և կոնյուգացիայի միջոցով՝ պլազմիդների, տրանսպոզոնների, ինտեգրոնների և գենոմային կղզիների աջակցությամբ, բակտերիաները կարողանում են արագորեն ձեռք բերել նոր հատկանիշներ: Մի կողմից, HGT-ն օգնում է բակտերիաներին հարմարվել և պահպանել մանրէային էկոհամակարգերի դինամիկան: Մյուս կողմից, HGT-ն լուրջ մարտահրավեր է ներկայացնում մարդու առողջության համար՝ արագացնելով հակաբիոտիկների նկատմամբ դիմադրության և վիրուլենտության գործոնների տարածումը: HGT-ի մեխանիզմներն ու օրինաչափությունները հասկանալը կարևոր է վարակների վերահսկման ռազմավարություններ մշակելու, հակաբիոտիկների խելամիտ օգտագործման և բակտերիաների անընդհատ զարգացող բնույթը հաշվի առնելու նոր թերապիաների մշակման համար:
