Horizontalus genų perdavimas bakterijose
Horizontalusis genų perdavimas (HGT) – tai genetinės medžiagos perdavimo tarp organizmų procesas, kuris nevyksta paveldint iš tėvų palikuonims (vertikalus), o veikiau „šokinėja“ tarp individų, net ir tarp rūšių. Bakterijose HGT yra vienas iš svarbiausių evoliucijos mechanizmų, nes jis leidžia bakterijoms greitai įgyti naujų savybių, nelaukiant ilgų atsitiktinių mutacijų ir natūralios atrankos laikotarpių. Jo poveikis yra platus: nuo atsparumo antibiotikams atsiradimo, padidėjusio patogenų virulentiškumo iki naujų medžiagų apykaitos gebėjimų, naudingų ekstremalioje aplinkoje, atsiradimo.
Kodėl HGT yra svarbus bakterijoms?
Bakterijos paprastai dauginasi nelytiniu būdu dvejetainiu dalijimusi. Teoriškai tai leidžia bakterijų genetinei variacijai priklausyti nuo mutacijų. Tačiau iš tikrųjų bakterijos gali „sukeisti“ genus per HGT, todėl genetinė variacija per trumpą laiką gali smarkiai išaugti. HGT padeda bakterijoms prisitaikyti prie aplinkos stresorių, tokių kaip antibiotikų buvimas, maistinių medžiagų šaltinių pokyčiai, šeimininko imuninės sistemos atakos ar konkurencija su kitais mikrobais.
Populiacijos lygmeniu HGT leidžia bakterijoms derinti pranašesnius požymius iš skirtingų šaltinių. Pavyzdžiui, genai, koduojantys fermentus, skaidančius toksiškus junginius, gali plisti tarp bakterijų bendruomenių, gyvenančių užterštose vietovėse. Klinikiniame kontekste tai kelia didelę problemą, nes atsparumo antibiotikams genai gali būti perkelti iš nepatogeninių bakterijų į patogenines, todėl infekcijos tampa sunkiau gydomos.
Skirtumas tarp horizontalaus ir vertikalaus genų perdavimo
Vertikalus genų perdavimas įvyksta, kai genai perduodami iš motininių ląstelių dukterinėms ląstelėms ląstelių dalijimosi metu. Šis modelis yra gana panašus į „šeimos medį“. Priešingai, HGT labiau primena „tinklą“, nes genai gali judėti tarp skirtingų linijų. Dėl to filogenetinius ryšius tarp bakterijų kartais sunku nustatyti iš vieno geno, nes genas galėjo būti kilęs iš kito organizmo. Tai viena iš priežasčių, kodėl bakterijų filogenetinėse analizėse dažnai naudojami keli genai vienu metu arba naudojami specifiniai, gana konservatyvūs genai.
Trys pagrindiniai HGT mechanizmai bakterijose
Klasikiškai HGT bakterijose vyksta trimis pagrindiniais mechanizmais: transformacija, transdukcija ir konjugacija. Kiekvienas iš jų turi skirtingus kelius, reikalavimus ir biologinį poveikį.
1. Transformacija: DNR paėmimas iš aplinkos
Transformacija yra procesas, kurio metu bakterijos paima nuogą DNR iš savo aplinkos ir įtraukia ją į savo genomą arba palaiko kaip plazmidę. Ši nuoga DNR paprastai yra kilusi iš kitų bakterijų ląstelių, kurios žuvo ir buvo lizuojamos. Ne visos bakterijos gali transformuotis; bakterijos turi būti „kompetentingos“ būsenos, specifinės fiziologinės būsenos, kuri leidžia DNR pasisavinti.
Natūraliai transformuotis galinčių bakterijų pavyzdžiai yra Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis ir Neisseria spp. Transformacija gali suteikti adaptacinių pranašumų, pavyzdžiui, įgyti genų, kurie padidina bakterijų atsparumą antibiotikams arba leidžia panaudoti specifinius anglies šaltinius. Biotechnologijose transformacija taip pat naudojama rekombinantinėms plazmidėms įvesti į bakterijas, tokias kaip Escherichia coli, nors dažnai naudojami dirbtiniai metodai, tokie kaip šilumos šokas ar elektroporacija.
2. Transdukcija: genų perdavimas bakteriofagais
Transdukcija įvyksta, kai virusas, užkrečiantis bakterijas (bakteriofagas), netyčia perneša bakterijų DNR iš vienos bakterijų ląstelės į kitą. Yra dvi pagrindinės transdukcijos formos:
– Generalizuota transdukcija: įvyksta, kai lizės cikle esantis fagas „supakuojasi“ su bakterijų DNR fragmentu, atsitiktinai pakeisdamas fago DNR. Dėl to bet kuris bakterijų geno fragmentas gali būti perneštas kartu.
– Specializuota transdukcija: vyksta vidutinio klimato faguose, kurie integruojasi į bakterijų genomą (profaguose). Kai profagas išeina (išsiskiria) nepilnai, jis gali pernešti genus, esančius netoli integracijos vietos.
Transdukcija vaidina lemiamą vaidmenį virulentiškumo genų plitime. Keletas gerai žinomų bakterijų toksinų yra užkoduoti fagų nešiojamuose genuose, pavyzdžiui, difterijos toksinas Corynebacterium diphtheriae bakterijoje ir Shiga toksinas kai kuriose E. coli padermėse. Taigi, fagų infekcija gali „pagerinti“ bakterijas, kad jos taptų patogeniškesnės.
3. Konjugacija: DNR perdavimas tiesioginio kontakto būdu
Konjugacija yra HGT mechanizmas, apimantis tiesioginį dviejų bakterijų ląstelių kontaktą, dažniausiai per tokią struktūrą kaip lytinis pilus. Šį procesą dažnai tarpininkauja konjugacinė plazmidė, pvz., F plazmidė E. coli bakterijose. Donorinė ląstelė, turinti konjugacinę plazmidę, gali sudaryti konjugacinį tiltelį ir nukopijuoti plazmidės DNR į recipiento ląstelę. Įdomu tai, kad konjugacija ne visada apsiriboja plazmidėmis; tam tikromis sąlygomis plazmidės gali mobilizuoti chromosomų DNR dalis (pvz., Hfr padermėse, esant dideliam rekombinacijos dažniui).
Konjugacija yra labai svarbi plintant atsparumui antibiotikams, nes daugelis atsparumo genų yra plazmidėse, kurios gali būti pernešamos tarp bakterijų, net tarp rūšių ir genčių. Tai yra viena iš pagrindinių daugelio vaistų atsparių (MVA) bakterijų atsiradimo ligoninėse ir aplinkoje priežasčių.
Mobilieji genetiniai elementai, palaikantys HGT
Be trijų pagrindinių mechanizmų, išvardytų aukščiau, HGT bakterijose labai veikia mobilūs genetiniai elementai, tokie kaip:
– Plazmidės: ekstrachromosominė žiedinė DNR, kurioje dažnai yra atsparumo antibiotikams genai, virulentiškumo faktoriai arba specifiniai metabolizmo keliai.
– Transpozonai: „šokinėjantys genai“, kurie gali perkelti vietas genome arba tarp plazmidžių ir chromosomų. Transpozonai dažnai turi atsparumo genus.
– Integronai: sistemos, galinčios užfiksuoti ir ekspresuoti genų kasetes, dažnai turinčias atsparumo genus. Integronai vaidina svarbų vaidmenį kliniškai patogeninėse bakterijose.
– Genominės salos: dideli DNR segmentai, gauti HGT būdu ir galintys turėti virulentiškumo genų (patogeniškumo salų) arba specialių metabolinių gebėjimų.
Dėl šių elementų bakterijos atrodo turinčios „modulinį įtaisą“, kurį galima pridėti arba pašalinti atsižvelgiant į prisitaikymo poreikius.
HGT poveikis: nuo evoliucijos iki žmonių sveikatos
Atsparumas antibiotikams
Svarbiausia su HGT susijusi problema yra atsparumo antibiotikams plitimas. Tokie genai kaip bla (beta-laktamazė), mecA (meticilino atsparumas MRSA) arba išstūmimo siurblių genai gali greitai plisti per plazmides ir transpozonus. Kai antibiotikai plačiai naudojami (klinikose, gyvulininkystėje ir žemės ūkyje), padidėja atrankos spaudimas, todėl bakterijos, kurios įgyja atsparumo genus per HGT, išgyvena ir dominuoja.
Virulentiškumas ir nauji patogenai
HGT taip pat sukelia naujų patogeninių padermių atsiradimą. Bakterijos gali įgyti adhezijos, invazijos, toksinų ar sekrecijos sistemų genus, taip sudarydami sąlygas veiksmingesnei infekcijai. Kartais anksčiau gana nekenksmingos bakterijos gali tapti patogeniškos dėl virulentiškumo genų „paketo“ iš genominių salų ar fagų.
Aplinkos adaptacija ir bioremediacija
Be medicininių tikslų, HGT yra naudingas mikrobų ekologijoje. Bakterijos gali įgyti gebėjimą skaidyti angliavandenilius, pesticidus ar sunkiuosius metalus, taip padėdamos bioremediacijos procesams. Ekstremaliomis sąlygomis HGT gali platinti genus, susijusius su aukštos temperatūros, druskingumo ar didelio pH tolerancija.
Kaip mokslininkai tiria HGT?
HGT tiriamas laboratoriniais eksperimentais ir genomine analize. Genomiškai HGT galima aptikti ieškant bazinės sudėties skirtumų (pvz., GC kiekio), kurie nukrypsta nuo pagrindinio genomo, genų, kurie yra panašesni į tolimai susijusių organizmų genus, arba mobilių elementų, tokių kaip transpozazės, buvimo. Filogenetinė analizė taip pat gali atskleisti „neatitikimus“, kai geno evoliucinis medis nesutampa su jo rūšies evoliuciniu medžiu.
Uždarymas
Horizontalus genų perdavimas bakterijose yra galingas evoliucijos variklis. Transformacijos, transdukcijos ir konjugacijos, kurias palaiko plazmidės, transpozonai, integronai ir genominės salos, dėka bakterijos gali greitai įgyti naujų savybių. Viena vertus, HGT padeda bakterijoms prisitaikyti ir palaikyti mikrobų ekosistemų dinamiką. Kita vertus, HGT kelia didelį iššūkį žmonių sveikatai, nes paspartina atsparumo antibiotikams ir virulentiškumo faktorių plitimą. HGT mechanizmų ir modelių supratimas yra labai svarbus kuriant infekcijų kontrolės strategijas, protingai vartojant antibiotikus ir kuriant naujas terapijas, skirtas spręsti nuolat besikeičiančios bakterijų prigimties problemas.
