Бактерийн хэвтээ генийн дамжуулалт
Хэвтээ генийн дамжуулалт (ХГТ) нь эцэг эхээс үр удамд удамшлын замаар (босоо) явагддаггүй, харин бодгаль хооронд, тэр ч байтугай төрөл зүйлийн хооронд "үсрэлт" явагддаг организмуудын хооронд генетикийн материалыг дамжуулах үйл явц юм. Бактерийн хувьд ХГТ нь хамгийн чухал хувьслын механизмуудын нэг юм, учир нь энэ нь бактериуд санамсаргүй мутаци болон байгалийн шалгарлын урт хугацааны хүлээлгүйгээр шинэ шинж чанарыг хурдан олж авах боломжийг олгодог. Үүний нөлөө нь өргөн хүрээтэй: антибиотикт тэсвэртэй болох, эмгэг төрүүлэгчийн хоруу чанар нэмэгдэхээс эхлээд эрс тэс орчинд хэрэгтэй шинэ бодисын солилцооны чадварууд үүсэх хүртэл.
HGT яагаад бактерид чухал вэ?
Бактери нь ерөнхийдөө хоёртын хуваагдлаар бэлгийн бус аргаар үрждэг. Онолын хувьд энэ нь бактерийн генетикийн өөрчлөлтийг мутациас хамааралтай болгодог. Гэсэн хэдий ч бодит байдал дээр бактериуд HGT-ээр дамжуулан генийг "солилцож" чаддаг бөгөөд энэ нь генетикийн өөрчлөлтийг богино хугацаанд эрс нэмэгдүүлдэг. HGT нь бактериуд антибиотик байгаа эсэх, шим тэжээлийн эх үүсвэрийн өөрчлөлт, эзэн биеийн дархлааны системийн халдлага эсвэл бусад бичил биетүүдтэй өрсөлдөх зэрэг хүрээлэн буй орчны стресст дасан зохицоход тусалдаг.
Хүн амын түвшинд HGT нь бактериудад өөр өөр эх үүсвэрээс авсан давуу шинж чанаруудыг нэгтгэх боломжийг олгодог. Жишээлбэл, хортой нэгдлүүдийг задалдаг ферментийг кодчилдог генүүд бохирдсон газарт амьдардаг бактерийн бүлгүүдийн дунд тархаж болно. Эмнэлзүйн хувьд энэ нь ноцтой асуудал үүсгэдэг, учир нь антибиотикт тэсвэртэй генүүд эмгэг төрүүлэгч бус бактериас эмгэг төрүүлэгч бактери руу шилжиж, эмчлэхэд илүү хэцүү халдваруудад хүргэдэг.
Хэвтээ ба босоо генийн дамжуулалтын ялгаа
Босоо генийн шилжилт нь эсийн хуваагдлын үед генүүд эх эсээс охин эс рүү шилжих үед явагддаг. Энэ хэв маяг нь харьцангуй "гэр бүлийн мод" юм. Үүний эсрэгээр HGT нь "сүлжээ"-тэй илүү төстэй байдаг, учир нь генүүд өөр өөр удам угсааны хооронд шилжиж чаддаг. Үүний үр дүнд бактерийн хоорондох филогенетикийн хамаарлыг нэг генээс тодорхойлоход заримдаа хэцүү байдаг, учир нь ген нь өөр организмаас гаралтай байж болзошгүй юм. Энэ нь бактерийн филогенетикийн шинжилгээнд олон генийг нэгэн зэрэг ашиглах эсвэл тодорхой, харьцангуй консерватив генийг ашиглах нэг шалтгаан юм.
Бактерийн HGT-ийн гурван үндсэн механизм
Сонгодог утгаараа бактерийн HGT нь хувиргалт, трансдукц, коньюгаци гэсэн гурван үндсэн механизмаар явагддаг. Эдгээр механизмууд нь өөр өөр зам, шаардлага, биологийн нөлөөтэй байдаг.
1. Хувиргалт: хүрээлэн буй орчноос ДНХ-г авах
Хувиргалт гэдэг нь бактериуд орчноосоо нүцгэн ДНХ-г авч, геномдоо оруулах эсвэл плазмид хэлбэрээр хадгалах үйл явц юм. Энэхүү нүцгэн ДНХ нь ихэвчлэн үхэж, лизисэд орсон бусад бактерийн эсүүдээс үүсдэг. Бүх бактериуд хувирах чадвартай байдаггүй; бактериуд нь ДНХ-г шингээх боломжийг олгодог тодорхой физиологийн төлөв болох "чадварлаг" төлөвт байх ёстой.
Байгалийн хувиралд орж болох бактерийн жишээнд Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis, Neisseria spp. орно. Трансформация нь бактерийг антибиотикт илүү тэсвэртэй болгодог генийг олж авах эсвэл тодорхой нүүрстөрөгчийн эх үүсвэрийг ашиглах боломжийг олгох зэрэг дасан зохицох давуу талыг олгодог. Биотехнологид трансформацийг мөн Escherichia coli зэрэг бактерид рекомбинант плазмид нэвтрүүлэхэд ашигладаг боловч ихэвчлэн дулааны цочрол эсвэл электропораци зэрэг хиймэл аргыг ашигладаг.
2. Трансдукц: бактериофагаар дамжуулан генийн дамжуулалт
Трансдукц нь бактерийг халдварлуулдаг вирус (бактериофаг) санамсаргүйгээр нэг бактерийн эсээс нөгөө эс рүү бактерийн ДНХ-г зөөвөрлөх үед үүсдэг. Трансдукцийн хоёр үндсэн хэлбэр байдаг:
– Ерөнхий трансдукц: литик мөчлөгийн фаг нь бактерийн ДНХ-ийн хэлтэрхийтэй “багцалж”, санамсаргүй байдлаар фагийн ДНХ-г орлох үед үүсдэг. Үүний үр дүнд бактерийн генийн аливаа хэлтэрхий цааш явах боломжтой байдаг.
– Мэргэшсэн трансдукц: бактерийн геномд нэгддэг сэрүүн уур амьсгалын фагуудад (профагууд) тохиолддог. Профаг бүрэн бус гарахад (эксизууд) нэгдлийн цэгийн ойролцоо байрлах генийг авч явж чаддаг.
Трансдукц нь хоруу чанарын генийн тархалтад чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Хэд хэдэн алдартай бактерийн хорыг фагуудын тээж явдаг генүүд кодчилдог, тухайлбал Corynebacterium diphtheriae-ийн сахуугийн хор, E. coli-ийн зарим омгийн Shiga хор. Тиймээс фагийн халдвар нь бактерийг илүү эмгэг төрүүлэгч болгохын тулд "сайжруулж" чаддаг.
3. Коньюгаци: Шууд холбоогоор дамжин ДНХ-ийн дамжуулалт
Коньюгаци гэдэг нь хоёр бактерийн эсийн хооронд шууд холбоо тогтоох, ихэвчлэн бэлгийн пилус гэх мэт бүтцээр дамжин явагддаг HGT-ийн механизм юм. Энэ үйл явц нь ихэвчлэн E. coli-ийн F плазмид гэх мэт коньюгатив плазмидээр дамждаг. Коньюгатив плазмид агуулсан донор эс нь коньюгацийн гүүр үүсгэж, плазмидын ДНХ-г хүлээн авагч эс рүү хуулж чаддаг. Сонирхолтой нь, коньюгаци нь үргэлж плазмидаар хязгаарлагддаггүй; тодорхой нөхцөлд плазмидууд нь хромосомын ДНХ-ийн хэсгүүдийг дайчилж чаддаг (жишээлбэл, Hfr омгуудад рекомбинацийн өндөр давтамжтай).
Антибиотикт тэсвэртэй байдлын тархалтад коньюгаци чухал үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь олон эсэргүүцлийн генүүд нь бактерийн хооронд, тэр ч байтугай төрөл зүйлийн хооронд дамждаг плазмидууд дээр байрладаг. Энэ нь эмнэлэг болон хүрээлэн буй орчинд олон эмэнд тэсвэртэй (MDR) бактери үүсэх гол шалтгаануудын нэг юм.
HGT-г дэмждэг хөдөлгөөнт генетикийн элементүүд
Дээрх гурван үндсэн механизмаас гадна бактерийн HGT нь хөдөлгөөнт генетикийн элементүүдээс ихээхэн хамаардаг, тухайлбал:
– Плазмидууд: Антибиотикт тэсвэртэй ген, хоруу чанарын хүчин зүйл эсвэл бодисын солилцооны тодорхой замыг агуулдаг хромосомын гаднах дугуй хэлбэртэй ДНХ.
– Транспозонууд: геном дотор эсвэл плазмид ба хромосомын хооронд байршлыг зөөж чаддаг “үсрэх генүүд”. Транспозонууд нь ихэвчлэн эсэргүүцлийн генийг тээдэг.
– Интегронууд: генийн кассетуудыг барьж авах, илэрхийлэх чадвартай системүүд бөгөөд ихэвчлэн эсэргүүцлийн ген агуулдаг. Интегронууд нь клиник эмгэг төрүүлэгч бактериудад гол үүрэг гүйцэтгэдэг.
– Геномын арлууд: HGT-ээр дамжуулан олж авсан ДНХ-ийн том хэсгүүд бөгөөд хоруу чанарын ген (эмгэг төрүүлэх арлууд) эсвэл бодисын солилцооны тусгай чадавхийг агуулж болно.
Эдгээр элементүүд нь бактерийг дасан зохицох хэрэгцээний дагуу нэмж эсвэл хасаж болох "модульчлагдсан төхөөрөмж"-тэй мэт харагдуулдаг.
HGT-ийн нөлөө: хувьсалаас хүний эрүүл мэнд хүртэл
Антибиотикт тэсвэртэй байдал
HGT-тэй холбоотой хамгийн чухал асуудал бол антибиотикт тэсвэртэй байдлын тархалт юм. bla (бета-лактамаза), mecA (MRSA дахь метициллинд тэсвэртэй байдал), эсвэл гадагшлуулах шахуургын генүүд зэрэг генүүд нь плазмид болон транспозоноор дамжуулан хурдан тархдаг. Антибиотикийг өргөнөөр хэрэглэх үед (клиник, мал аж ахуй, хөдөө аж ахуйд) сонголтын дарамт нэмэгддэг тул HGT-ээр дамжуулан эсэргүүцлийн генийг олж авсан бактери амьд үлдэж, давамгайлдаг.
Хоруу чанар ба шинэ эмгэг төрүүлэгчид
HGT нь мөн шинэ эмгэг төрүүлэгч омгууд үүсэхийг өдөөдөг. Бактери нь наалдац, инвази, хор эсвэл шүүрлийн системийн генийг олж авч, илүү үр дүнтэй халдвар авах боломжийг олгодог. Заримдаа өмнө нь харьцангуй хоргүй байсан бактериуд геномын арлууд эсвэл фагуудаас хоруу чанарын генийн "багц"-ын улмаас эмгэг төрүүлэгч болж хувирдаг.
Байгаль орчинд дасан зохицох ба био нөхөн сэргээлт
Анагаах ухаанаас гадна HGT нь бичил биетний экологид ашигтай байдаг. Бактери нь нүүрсустөрөгч, пестицид эсвэл хүнд металлыг задлах чадварыг олж авдаг бөгөөд ингэснээр биоремедиацийн процессыг дэмждэг. Хэт туйлын орчинд HGT нь өндөр температур, давсжилт эсвэл хэт рН-ийн тэсвэрлэлттэй холбоотой генийг тарааж чаддаг.
Эрдэмтэд HGT-г хэрхэн судалдаг вэ?
HGT-г лабораторийн туршилт болон геномын шинжилгээгээр судалдаг. Геномын хувьд HGT-г үндсэн геномоос хазайсан суурь найрлага дахь ялгаа (жишээлбэл, GC агууламж), хол холбоотой организмынхтой илүү төстэй генүүд эсвэл транспозаза зэрэг хөдөлгөөнт элементүүдийн илрэлийг хайж илрүүлж болно. Филогенетикийн шинжилгээгээр генийн хувьслын мод нь түүний зүйлийн хувьслын модтой нийцэхгүй байх үед "зөрүү"-ийг илрүүлж болно.
Хаах
Бактерийн хэвтээ генийн дамжуулалт нь хувьслын хүчирхэг хөдөлгүүр юм. Плазмид, транспозон, интегрон, геномын арлуудын дэмжлэгтэйгээр хувиргалт, трансдукц, коньюгацийн замаар бактериуд шинэ шинж чанарыг хурдан олж авах чадвартай байдаг. Нэг талаас, HGT нь бактериудад дасан зохицох, бичил биетний экосистемийн динамикийг хадгалахад тусалдаг. Нөгөө талаас, HGT нь антибиотикт тэсвэртэй байдал болон хоруу чанарын хүчин зүйлсийн тархалтыг хурдасгаснаар хүний эрүүл мэндэд томоохон сорилт учруулдаг. HGT-ийн механизм, хэв маягийг ойлгох нь халдварын хяналтын стратеги боловсруулах, антибиотикийг зохистой хэрэглэх, бактерийн байнга өөрчлөгдөж буй шинж чанарыг шийдвэрлэх шинэ эмчилгээг боловсруулахад чухал үүрэгтэй.
