Бактериялардағы көлденең ген тасымалы
Көлденең гендік тасымалдау (ГТТ) - бұл ата-анадан ұрпаққа мұрагерлік арқылы емес (тік), керісінше, даралар арасында, тіпті түрлер арасында «секіретін» организмдер арасында генетикалық материалды тасымалдау процесі. Бактерияларда ГТТ ең маңызды эволюциялық механизмдердің бірі болып табылады, себебі ол бактерияларға кездейсоқ мутация мен табиғи сұрыпталудың ұзақ кезеңін күтпей-ақ жаңа белгілерді тез алуға мүмкіндік береді. Оның әсері кең ауқымды: антибиотиктерге төзімділіктің пайда болуынан, патогендердің вируленттілігінің жоғарылауынан бастап, экстремалды ортада пайдалы жаңа метаболикалық мүмкіндіктердің пайда болуына дейін.
Неліктен HGT бактериялар үшін маңызды?
Бактериялар, әдетте, екілік бөліну арқылы жыныссыз жолмен көбейеді. Теория жүзінде бұл бактериялардың генетикалық вариациясының мутацияларға тәуелді болуына мүмкіндік береді. Дегенмен, шын мәнінде, бактериялар HGT арқылы гендерді «алмастыра» алады, бұл генетикалық вариацияның қысқа мерзімде күрт артуына мүмкіндік береді . HGT бактерияларға антибиотиктердің болуы, қоректік заттардың көздерінің өзгеруі, иесінің иммундық жүйесінің шабуылдары немесе басқа микробтармен бәсекелестік сияқты қоршаған орта стресстеріне бейімделуге көмектеседі.
Популяция деңгейінде HGT бактерияларға әртүрлі көздерден алынған жоғары қасиеттерді біріктіруге мүмкіндік береді. Мысалы, улы қосылыстарды ыдырататын ферменттерді кодтайтын гендер ластанған аймақтарда тұратын бактериялық қауымдастықтар арасында таралуы мүмкін. Клиникалық тұрғыдан бұл айтарлықтай мәселе тудырады, себебі антибиотиктерге төзімділік гендері патогенді емес бактериялардан патогенді бактерияларға ауысып, емдеу қиынырақ инфекцияларға әкелуі мүмкін.
Көлденең және тік гендердің берілуінің айырмашылығы
Тік гендердің берілуі жасушалардың бөлінуі кезінде гендер ата-аналық жасушалардан еншілес жасушаларға өткенде орын алады. Бұл үлгі салыстырмалы түрде «шежіре ағашы» болып табылады. Керісінше, HGT «желіге» көбірек ұқсайды, себебі гендер әртүрлі тектер арасында қозғала алады. Нәтижесінде, бактериялар арасындағы филогенетикалық байланыстарды кейде бір геннен анықтау қиын, себебі ген басқа организмнен шыққан болуы мүмкін. Бұл бактериялық филогенетикалық талдауларда көбінесе бір уақытта бірнеше генді қолданудың немесе нақты, салыстырмалы түрде консервативті гендерді қолданудың бір себебі.
Бактериялардағы HGT-ның үш негізгі механизмі
Классикалық түрде бактериялардағы HGT үш негізгі механизм арқылы жүреді: трансформация, трансдукция және конъюгация. Әрқайсысының әртүрлі жолдары, талаптары және биологиялық әсерлері бар.
1. Трансформация: қоршаған ортадан ДНҚ алу
Трансформация - бактериялардың қоршаған ортадан жалаңаш ДНҚ-ны алып, оны геномына енгізу немесе плазмида ретінде сақтау процесі . Бұл жалаңаш ДНҚ әдетте өліп, лизиске ұшыраған басқа бактериялық жасушалардан пайда болады. Барлық бактериялар трансформацияға қабілетті емес; бактериялар «құзыретті» күйде, ДНҚ-ны сіңіруге мүмкіндік беретін белгілі бір физиологиялық күйде болуы керек.
Табиғи трансформацияға ұшырайтын бактериялардың мысалдарына Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis және Neisseria spp. жатады. Трансформация бейімделу артықшылықтарын бере алады, мысалы, бактерияларды антибиотиктерге төзімді ететін гендерді алу немесе белгілі бір көміртек көздерін пайдалануға мүмкіндік беру. Биотехнологияда трансформация сонымен қатар Escherichia coli сияқты бактерияларға рекомбинантты плазмидтерді енгізу үшін де қолданылады, дегенмен көбінесе жылу соққысы немесе электропорация сияқты жасанды әдістер қолданылады.
2. Трансдукция: бактериофагтар арқылы гендердің берілуі
Трансдукция бактерияларды жұқтыратын вирус (бактериофаг) кездейсоқ бір бактериялық жасушадан екіншісіне бактериялық ДНҚ тасымалдаған кезде пайда болады. Трансдукцияның екі негізгі түрі бар:
– Жалпы трансдукция: литикалық циклдегі фаг бактериялық ДНҚ фрагментін кездейсоқ фаг ДНҚ-сымен «ораған» кезде пайда болады. Нәтижесінде, фрагмент бактериялық гендер кез келген нәрсені алып жүру мүмкіндігі бар.
– Мамандандырылған трансдукция: бактериялық геномға интеграцияланатын қоңыржай фагтарда (профагтарда) кездеседі. Профаг толық емес шыққанда (эксиздерде), ол интеграция орнының жанында орналасқан гендерді тасымалдай алады.
Трансдукция вируленттілік гендерінің таралуында шешуші рөл атқарады . Бірнеше белгілі бактериялық токсиндер фагтар тасымалдайтын гендермен кодталады, мысалы, Corynebacterium diphtheriae дифтерия токсині және E. coli кейбір штаммдарындағы Shiga токсині. Осылайша, фаг инфекциясы бактерияларды патогенді ету үшін «жаңарта» алады.
3. Конъюгация: ДНҚ-ның тікелей байланыс арқылы берілуі
Конъюгация - екі бактериялық жасуша арасындағы тікелей жанасуды қамтитын HGT механизмі, әдетте жыныстық пилус сияқты құрылым арқылы. Бұл процесс көбінесе конъюгативті плазмиданың, мысалы, E. coli-дегі F плазмиданың көмегімен жүзеге асады. Конъюгативті плазмиданы тасымалдайтын донор жасуша конъюгация көпірін құрып, плазмидалық ДНҚ-ны реципиент жасушасына көшіре алады. Қызығы, конъюгация әрқашан плазмидалармен шектелмейді; белгілі бір жағдайларда плазмидалар хромосомалық ДНҚ бөліктерін жұмылдыра алады (мысалы, Hfr штамдарында, рекомбинация жиілігі жоғары).
Антибиотиктерге төзімділіктің таралуында конъюгация өте маңызды, себебі көптеген төзімділік гендері бактериялар арасында, тіпті түрлер мен тұқымдар арасында да ауыса алатын плазмидалар бетінде орналасқан. Бұл ауруханалар мен қоршаған ортада көп дәріге төзімді (КДР) бактериялардың пайда болуының негізгі себептерінің бірі.
HGT қолдайтын мобильді генетикалық элементтер
Жоғарыда аталған үш негізгі механизмнен басқа, бактериялардағы HGT мобильді генетикалық элементтердің әсеріне ұшырайды, мысалы:
– Плазмидалар: антибиотиктерге төзімділік гендерін, вируленттілік факторларын немесе белгілі бір метаболикалық жолдарды жиі тасымалдайтын хромосомалық емес дөңгелек ДНҚ.
– Транспозондар: геном ішіндегі немесе плазмидалар мен хромосомалар арасында орындарды ауыстыра алатын «секіргіш гендер». Транспозондар көбінесе төзімділік гендерін тасымалдайды.
– Интегрондар: ген кассеталарын ұстап, экспрессиялай алатын жүйелер, көбінесе төзімділік гендерін қамтиды. Интегрондар клиникалық патогенді бактерияларда маңызды рөл атқарады.
– Геномдық аралдар: ГГТ арқылы алынған және вируленттілік гендерін (патогендік аралдарды) немесе арнайы метаболикалық қабілеттерді қамтуы мүмкін ДНҚ-ның үлкен сегменттері.
Бұл элементтер бактериялардың бейімделу қажеттіліктеріне сәйкес қосылуы немесе алынып тасталуы мүмкін «модульдік құрылғысы» бар сияқты көрінеді.
ГГТ әсері: эволюциядан адам денсаулығына дейін
Антибиотиктерге төзімділік
HGT-мен байланысты ең маңызды мәселе - антибиотиктерге төзімділіктің таралуы. bla (бета-лактамаза), mecA (MRSA-дағы метициллинге төзімділік) немесе ағынды сорғыларға арналған гендер сияқты гендер плазмидалар мен транспозондар арқылы тез таралуы мүмкін. Антибиотиктер кеңінен қолданылған кезде (клиникаларда, мал шаруашылығында және ауыл шаруашылығында), іріктеу қысымы артады, сондықтан HGT арқылы төзімділік гендерін алатын бактериялар аман қалады және басым болады.
Вируленттілік және жаңа патогендер
HGT сонымен қатар жаңа патогенді штамдардың пайда болуын тудырады. Бактериялар адгезия, инвазия, токсиндер немесе секреция жүйелері үшін гендер ала алады, бұл инфекцияның тиімдірек болуына мүмкіндік береді. Кейде бұрын салыстырмалы түрде зиянсыз болған бактериялар геномдық аралдардан немесе фагтардан алынған вируленттілік гендерінің «қаптамасына» байланысты патогенді бола алады.
Қоршаған ортаға бейімделу және биоремедиация
Медицинадан басқа, HGT микробтық экологияда пайдалы. Бактериялар көмірсутектерді, пестицидтерді немесе ауыр металдарды ыдырату қабілетіне ие бола алады, осылайша биоремедиация процестеріне көмектеседі. Экстремалды ортада HGT жоғары температураға, тұздылыққа немесе экстремалды рН-қа төзімділікке байланысты гендерді тарата алады.
Ғалымдар HGT-ны қалай зерттейді?
ГГТ зертханалық тәжірибелер және геномдық талдау арқылы зерттеледі. Геномдық тұрғыдан ГГТ-ны негізгі геномнан ауытқып кететін негізгі құрамдағы айырмашылықтарды (мысалы, ГК құрамы), алыс туыс организмдердің гендеріне ұқсас гендердің болуын немесе транспозазалар сияқты жылжымалы элементтердің болуын іздеу арқылы анықтауға болады. Филогенетикалық талдау геннің эволюциялық ағашы өз түрінің эволюциялық ағашымен сәйкес келмеген кездегі «сәйкессіздіктерді» де анықтай алады.
Жабу
Бактериялардағы көлденең ген тасымалдау эволюцияның қуатты қозғалтқышы болып табылады. Плазмидалар, транспозондар, интегрондар және геномдық аралдар арқылы қолдау көрсетілетін трансформация, трансдукция және конъюгация арқылы бактериялар жаңа белгілерді тез игере алады. Бір жағынан, HGT бактерияларға микробтық экожүйелердің бейімделуіне және динамикасын сақтауға көмектеседі. Екінші жағынан, HGT антибиотиктерге төзімділік пен вируленттілік факторларының таралуын жеделдету арқылы адам денсаулығына үлкен қиындық тудырады. HGT механизмдері мен заңдылықтарын түсіну инфекцияны бақылау стратегияларын әзірлеу, антибиотиктерді ақылмен пайдалану және бактериялардың үнемі өзгеріп отыратын табиғатын шешуге арналған жаңа терапияларды әзірлеу үшін өте маңызды.
