ჰორიზონტალური გენის გადაცემა ბაქტერიებში
ჰორიზონტალური გენის გადაცემა (HGT) არის ორგანიზმებს შორის გენეტიკური მასალის გადაცემის პროცესი, რომელიც არ ხდება მშობლიდან შთამომავლობაზე მემკვიდრეობით (ვერტიკალური), არამედ „ნახტომებით“ ინდივიდებს შორის, თუნდაც სახეობებს შორის. ბაქტერიებში HGT ერთ-ერთი უმნიშვნელოვანესი ევოლუციური მექანიზმია, რადგან ის საშუალებას აძლევს ბაქტერიებს სწრაფად შეიძინონ ახალი ნიშან-თვისებები შემთხვევითი მუტაციისა და ბუნებრივი გადარჩევის ხანგრძლივი პერიოდების ლოდინის გარეშე. მისი გავლენა ფართოა: ანტიბიოტიკების მიმართ რეზისტენტობის გაჩენიდან, პათოგენების ვირულენტობის გაზრდიდან და ექსტრემალურ გარემოში სასარგებლო ახალი მეტაბოლური შესაძლებლობების გაჩენამდე.
რატომ არის HGT მნიშვნელოვანი ბაქტერიებში?
ბაქტერიები, როგორც წესი, უსქესოდ მრავლდებიან ბინარული გაყოფის გზით. თეორიულად, ეს საშუალებას აძლევს ბაქტერიულ გენეტიკურ ვარიაციას მუტაციებზე იყოს დამოკიდებული. თუმცა, სინამდვილეში, ბაქტერიებს შეუძლიათ გენების „გაცვლა“ HGT-ის მეშვეობით, რაც საშუალებას იძლევა გენეტიკური ვარიაციის მკვეთრად გაზრდის მოკლე დროში. HGT ეხმარება ბაქტერიებს ადაპტირებაში გარემო სტრესებთან, როგორიცაა ანტიბიოტიკების არსებობა, საკვები ნივთიერებების წყაროების ცვლილებები, მასპინძლის იმუნური სისტემის თავდასხმები ან სხვა მიკრობებთან კონკურენცია.
პოპულაციის დონეზე, HGT ბაქტერიებს საშუალებას აძლევს, გააერთიანონ სხვადასხვა წყაროდან მიღებული უმაღლესი თვისებები. მაგალითად, ტოქსიკური ნაერთების დამშლელი ფერმენტების კოდირების გენები შეიძლება გავრცელდეს დაბინძურებულ რაიონებში მცხოვრებ ბაქტერიულ თემებში. კლინიკურ კონტექსტში ეს მნიშვნელოვან პრობლემას წარმოადგენს, რადგან ანტიბიოტიკების მიმართ რეზისტენტობის გენები შეიძლება გადავიდეს არაპათოგენური ბაქტერიებიდან პათოგენურზე, რაც იწვევს ინფექციებს, რომელთა მკურნალობა უფრო რთულია.
განსხვავება ჰორიზონტალურ და ვერტიკალურ გენის გადაცემას შორის
ვერტიკალური გენის გადაცემა ხდება მაშინ, როდესაც გენები მშობელი უჯრედებიდან შვილეულ უჯრედებზე გადადის უჯრედის გაყოფის დროს. ნიმუში შედარებით „გენეალოგიური ხის“ მსგავსია. ამის საპირისპიროდ, HGT უფრო „ქსელს“ ჰგავს, რადგან გენებს შეუძლიათ სხვადასხვა შტოს შორის გადაადგილება. შედეგად, ბაქტერიებს შორის ფილოგენეტიკური ურთიერთობების დადგენა ზოგჯერ ერთი გენიდან რთულია, რადგან გენი შეიძლება სხვა ორგანიზმიდან წარმოიშვას. ეს არის ერთ-ერთი მიზეზი, რის გამოც ბაქტერიული ფილოგენეტიკური ანალიზები ხშირად ერთდროულად რამდენიმე გენს იყენებს ან სპეციფიკურ, შედარებით კონსერვატიულ გენებს იყენებს.
ბაქტერიებში HGT-ის სამი ძირითადი მექანიზმი
კლასიკურად, ბაქტერიებში HGT სამი ძირითადი მექანიზმით ხორციელდება: ტრანსფორმაცია, ტრანსდუქცია და კონიუგაცია. თითოეულ მათგანს განსხვავებული გზა, მოთხოვნილებები და ბიოლოგიური ზემოქმედება აქვს.
1. ტრანსფორმაცია: დნმ-ის აღება გარემოდან
ტრანსფორმაცია არის პროცესი, რომლის დროსაც ბაქტერიები გარემოდან იღებენ შიშველ დნმ-ს და ჩართავენ მას თავიანთ გენომში ან ინარჩუნებენ მას პლაზმიდის სახით. ეს შიშველი დნმ, როგორც წესი, წარმოიქმნება სხვა ბაქტერიული უჯრედებიდან, რომლებიც დაიღუპნენ და განიცადეს ლიზისი. ყველა ბაქტერიას არ აქვს ტრანსფორმაციის უნარი; ბაქტერიები უნდა იმყოფებოდნენ „კომპეტენტურ“ მდგომარეობაში, სპეციფიკურ ფიზიოლოგიურ მდგომარეობაში, რომელიც საშუალებას იძლევა დნმ-ის შთანთქმის.
ბუნებრივი ტრანსფორმაციის მქონე ბაქტერიების მაგალითებია Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis და Neisseria spp. ტრანსფორმაციას შეუძლია უზრუნველყოს ადაპტაციური უპირატესობები, როგორიცაა გენების შეძენა, რომლებიც ბაქტერიებს ანტიბიოტიკების მიმართ უფრო მდგრადს ხდის ან ნახშირბადის სპეციფიკური წყაროების გამოყენების შესაძლებლობას იძლევა. ბიოტექნოლოგიაში ტრანსფორმაცია ასევე გამოიყენება რეკომბინანტული პლაზმიდების ბაქტერიებში, მაგალითად Escherichia coli-ში, შესაყვანად, თუმცა ხშირად გამოიყენება ხელოვნური მეთოდები, როგორიცაა სითბური შოკი ან ელექტროპორაცია.
2. ტრანსდუქცია: გენის გადატანა ბაქტერიოფაგების საშუალებით
ტრანსდუქცია ხდება მაშინ, როდესაც ვირუსი, რომელიც აინფიცირებს ბაქტერიას (ბაქტერიოფაგი), შემთხვევით გადააქვს ბაქტერიული დნმ ერთი ბაქტერიული უჯრედიდან მეორეში. ტრანსდუქციის ორი ძირითადი ფორმა არსებობს:
– ზოგადი ტრანსდუქცია: ხდება მაშინ, როდესაც ლიზურ ციკლში ფაგი „შეფუთულია“ ბაქტერიული დნმ-ის ფრაგმენტთან, რომელიც შემთხვევით ცვლის ფაგის დნმ-ს. შედეგად, ფრაგმენტი ბაქტერიული გენები ნებისმიერ რამეს აქვს გადატანის პოტენციალი.
– სპეციალიზებული ტრანსდუქცია: ხდება ზომიერ ფაგებში, რომლებიც ინტეგრირდებიან ბაქტერიულ გენომში (პროფაგები). როდესაც პროფაგი არასრულად გამოდის (ამოიკვეთება), მას შეუძლია ინტეგრაციის ადგილთან ახლოს მდებარე გენების გადატანა.
ტრანსდუქცია გადამწყვეტ როლს ასრულებს ვირულენტობის გენების გავრცელებაში . რამდენიმე ცნობილი ბაქტერიული ტოქსინი კოდირებულია ფაგების მიერ მატარებელი გენებით, როგორიცაა Corynebacterium diphtheriae-ში არსებული დიფტერიის ტოქსინი და E. coli-ს ზოგიერთ შტამში არსებული შიგას ტოქსინი. ამრიგად, ფაგური ინფექცია შეიძლება „განაახლოს“ ბაქტერიები უფრო პათოგენურებად.
3. კონიუგაცია: დნმ-ის გადაცემა პირდაპირი კონტაქტით
კონიუგაცია HGT-ის მექანიზმია, რომელიც გულისხმობს ორ ბაქტერიულ უჯრედს შორის პირდაპირ კონტაქტს, ჩვეულებრივ, ისეთი სტრუქტურის მეშვეობით, როგორიცაა სასქესო პილუსი. ეს პროცესი ხშირად ხორციელდება კონიუგაციური პლაზმიდით, როგორიცაა F პლაზმიდი E. coli-ში. კონიუგაციური პლაზმიდის მატარებელ დონორ უჯრედს შეუძლია შექმნას კონიუგაციის ხიდი და დააკოპიროს პლაზმიდური დნმ რეციპიენტ უჯრედში. საინტერესოა, რომ კონიუგაცია ყოველთვის არ შემოიფარგლება მხოლოდ პლაზმიდებით; გარკვეულ პირობებში, პლაზმიდებს შეუძლიათ ქრომოსომული დნმ-ის ნაწილების მობილიზება (მაგ., Hfr შტამებში, რეკომბინაციის მაღალი სიხშირით).
კონიუგაცია გადამწყვეტია ანტიბიოტიკების მიმართ რეზისტენტობის გავრცელებისთვის, რადგან რეზისტენტობის მრავალი გენი პლაზმიდებზეა განთავსებული, რომლებსაც შეუძლიათ ბაქტერიებს შორის გადაცემა, სახეობებსა და გვარებს შორისაც კი. ეს არის საავადმყოფოებსა და გარემოში მრავალწამლის მიმართ რეზისტენტული (MDR) ბაქტერიების გაჩენის ერთ-ერთი მთავარი მიზეზი.
მობილური გენეტიკური ელემენტები, რომლებიც მხარს უჭერენ HGT-ს
ზემოთ ჩამოთვლილი სამი ძირითადი მექანიზმის გარდა, ბაქტერიებში HGT-ზე დიდ გავლენას ახდენს მობილური გენეტიკური ელემენტები, როგორიცაა:
– პლაზმიდები: ექსტრაქრომოსომული წრიული დნმ, რომელიც ხშირად შეიცავს ანტიბიოტიკების მიმართ რეზისტენტობის გენებს, ვირულენტობის ფაქტორებს ან სპეციფიკურ მეტაბოლურ გზებს.
– ტრანსპოზონები: „მხტუნავი გენები“, რომლებსაც შეუძლიათ გენომში ან პლაზმიდებსა და ქრომოსომებს შორის მდებარეობის შეცვლა. ტრანსპოზონები ხშირად რეზისტენტობის გენებს ატარებენ.
– ინტეგრონები: სისტემები, რომლებსაც შეუძლიათ გენის კასეტების დაჭერა და გამოხატვა, რომლებიც ხშირად შეიცავს რეზისტენტობის გენებს. ინტეგრონები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ კლინიკურად პათოგენურ ბაქტერიებში.
– გენომური კუნძულები: დნმ-ის დიდი სეგმენტები, რომლებიც მიღებულია HGT-ის მეშვეობით და შეიძლება შეიცავდეს ვირულენტობის გენებს (პათოგენურობის კუნძულები) ან სპეციალურ მეტაბოლურ შესაძლებლობებს.
ეს ელემენტები ბაქტერიებს ისეთ შთაბეჭდილებას ტოვებს, თითქოს მათ აქვთ „მოდულური მოწყობილობა“, რომლის დამატება ან ამოღება ადაპტაციის საჭიროებების მიხედვით არის შესაძლებელი.
HGT-ის გავლენა: ევოლუციიდან ადამიანის ჯანმრთელობამდე
ანტიბიოტიკებისადმი რეზისტენტობა
HGT-სთან დაკავშირებული ყველაზე მნიშვნელოვანი საკითხი ანტიბიოტიკების მიმართ რეზისტენტობის გავრცელებაა. ისეთი გენები, როგორიცაა bla (ბეტა-ლაქტამაზა), mecA (მეთიცილინის მიმართ რეზისტენტობა MRSA-ში) ან ეფლუქს ტუმბოების გენები, შეიძლება სწრაფად გავრცელდეს პლაზმიდებისა და ტრანსპოზონების მეშვეობით. როდესაც ანტიბიოტიკები ფართოდ გამოიყენება (კლინიკებში, მეცხოველეობასა და სოფლის მეურნეობაში), სელექციური წნევა იზრდება, ამიტომ ბაქტერიები, რომლებიც HGT-ის მეშვეობით რეზისტენტობის გენებს იძენენ, გადარჩებიან და დომინირებენ.
ვირულენტობა და ახალი პათოგენები
HGT ასევე იწვევს ახალი პათოგენური შტამების გაჩენას. ბაქტერიებს შეუძლიათ შეიძინონ გენები ადჰეზიის, ინვაზიის, ტოქსინების ან სეკრეციის სისტემებისთვის, რაც უფრო ეფექტურ ინფექციას უზრუნველყოფს. ზოგჯერ, ადრე შედარებით უვნებელი ბაქტერიები შეიძლება პათოგენური გახდეს გენომური კუნძულებიდან ან ფაგებიდან ვირულენტობის გენების „პაკეტის“ გამო.
გარემოსდაცვითი ადაპტაცია და ბიორემედიაცია
მედიცინის გარდა, HGT სასარგებლოა მიკრობული ეკოლოგიისთვის. ბაქტერიებს შეუძლიათ შეიძინონ ნახშირწყალბადების, პესტიციდების ან მძიმე მეტალების დაშლის უნარი, რითაც ხელს უწყობენ ბიორემედიაციის პროცესებს. ექსტრემალურ გარემოში, HGT-ს შეუძლია გაავრცელოს გენები, რომლებიც დაკავშირებულია მაღალი ტემპერატურის, მარილიანობის ან ექსტრემალური pH-ის მიმართ ტოლერანტობასთან.
როგორ სწავლობენ მეცნიერები HGT-ს?
HGT-ის შესწავლა ლაბორატორიული ექსპერიმენტებითა და გენომური ანალიზით ხდება. გენომურად, HGT-ის აღმოჩენა შესაძლებელია ძირითადი გენომისგან გადახრილი ფუძეების შემადგენლობაში არსებული განსხვავებების (მაგ., GC შემცველობა) ძიებით, ასევე შორეულად მონათესავე ორგანიზმების გენების მსგავსი გენების არსებობის ან ისეთი მობილური ელემენტების არსებობის ძიებით, როგორიცაა ტრანსპოზები. ფილოგენეტიკურ ანალიზს ასევე შეუძლია გამოავლინოს „შეუსაბამობები“, როდესაც გენის ევოლუციური ხე არ ემთხვევა მისი სახეობის ევოლუციურ ხეს.
დახურვა
ბაქტერიებში ჰორიზონტალური გენის გადაცემა ევოლუციის მძლავრი ძრავაა. ტრანსფორმაციის, ტრანსდუქციისა და კონიუგაციის გზით, რომელსაც მხარს უჭერენ პლაზმიდები, ტრანსპოზონები, ინტეგრონები და გენომური კუნძულები, ბაქტერიებს შეუძლიათ სწრაფად შეიძინონ ახალი თვისებები. ერთი მხრივ, HGT ეხმარება ბაქტერიებს ადაპტაციასა და მიკრობული ეკოსისტემების დინამიკის შენარჩუნებაში. მეორე მხრივ, HGT დიდ გამოწვევას უქმნის ადამიანის ჯანმრთელობას ანტიბიოტიკების მიმართ რეზისტენტობისა და ვირულენტობის ფაქტორების გავრცელების დაჩქარებით. HGT-ის მექანიზმებისა და ნიმუშების გაგება გადამწყვეტი მნიშვნელობისაა ინფექციის კონტროლის სტრატეგიების შემუშავებისთვის, ანტიბიოტიკების გონივრული გამოყენებისთვის და ბაქტერიების მუდმივად ევოლუციური ბუნების მოსაგვარებლად ახალი თერაპიების შემუშავებისთვის .
