11.6: Як безстатеві прокаріоти досягають генетичного різноманіття

Цілі навчання

• Порівняйте процеси перетворення, трансдукції та відмінювання
• Поясніть, як безстатевий перенос генів призводить до генетичного різноманіття прокаріотів
• Поясніть структуру та наслідки для бактеріального генетичного різноманіття транспозонів

Зазвичай, коли ми розглядаємо генетичну передачу, ми думаємо про вертикальну передачу генів, передачу генетичної інформації з покоління в покоління. Вертикальний перенос генів на сьогоднішній день є основним способом передачі генетичної інформації у всіх клітині. У статево розмножуються організмах кросинг-оверів події і незалежний асортимент окремих хромосом під час мейозу сприяють генетичному різноманітності в популяції. Генетичне різноманіття також впроваджується під час статевого розмноження, коли генетична інформація від двох батьків, кожен з різними доповненнями генетичної інформації, об'єднується, створюючи нові комбінації батьківських генотипів у диплоїдного потомства. Виникненню мутацій також сприяє генетичне різноманіття в популяції. Генетичне різноманіття потомства корисно в мінливих або суперечливих середовищах і може бути однією з причин еволюційного успіху статевого розмноження.

Коли прокаріоти та еукаріоти розмножуються безстатевим шляхом, вони передають майже ідентичну копію свого генетичного матеріалу своєму потомству шляхом вертикального перенесення генів. Хоча безстатеве розмноження дає більше потомства швидше, будь-які переваги різноманітності серед цих потомств втрачаються. Як тоді організми, домінуючим репродуктивним режимом яких є безстатевий, створюють генетичне різноманіття? У прокаріотів важливим способом впровадження генетичного різноманіття є горизонтальний перенос генів (HGT), впровадження генетичного матеріалу з одного організму в інший організм в межах одного покоління. HGT дозволяє навіть віддалено спорідненим видам ділитися генами, впливаючи на їх фенотипи. Вважається, що HGT є більш поширеним у прокаріотів, але лише мала частка прокаріотичного генома може бути перенесена цим типом перенесення в будь-який час. Оскільки явище досліджується більш ретельно, воно може виявитися ще більш поширеним. Багато вчених вважають, що тушка і мутація є значними джерелами генетичної варіації, сировиною для процесу природного відбору, у прокаріотів. Хоча тушка частіше зустрічається серед еволюційно пов'язаних організмів, вона може виникати між будь-якими двома видами, які живуть разом у природному співтоваристві.

HGT у прокаріотів, як відомо, відбувається за трьома первинними механізмами, які проілюстровані на малюнку\(\PageIndex{1}\):

1. Трансформація: оголена ДНК забирається з навколишнього середовища
2. Трансдукція: гени переносяться між клітинами вірусу (див. Життєвий цикл вірусу)
3. Кон'югація: використання порожнистої трубки, яка називається пілусом кон'югації для передачі генів між клітинами

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Існує три специфічні для прокаріота механізми, що призводять до горизонтального перенесення генів у прокаріотів. а) При перетворенні клітина забирає ДНК безпосередньо з навколишнього середовища. ДНК може залишатися окремою як плазміда або бути включена в геном господаря. б) При трансдукції бактеріофаг вводить ДНК, яка є гібридом вірусної ДНК та ДНК з раніше інфікованої бактеріальної клітини. в) При кон'югації ДНК переноситься між клітинами через цитоплазматичний міст після кон'югації Пілус малює дві клітини досить близько, щоб сформувати міст.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

1. Які три способи статевого розмноження вносить генетичні зміни в потомство?
2. У чому користь безстатевого розмноження?
3. Які три механізми горизонтального перенесення генів у прокаріотів?

Трансформація

Фредерік Гріффіт першим продемонстрував процес трансформації. У 1928 році він показав, що живі, непатогенні бактерії Streptococcus pneumoniae можуть трансформуватися в патогенні бактерії через вплив патогенного штаму, знищеного Він дійшов висновку, що якийсь агент, який він назвав «принципом трансформації», був переданий від загиблих хвороботворних бактерій до живих, непатогенних бактерій. У 1944 році Освальд Ейвері (1877—1955), Колін Маклауд (1909—1972) та Маклін Маккарті (1911—2005) продемонстрували, що принципом трансформації є ДНК (див. Використання мікробіології для розкриття таємниць життя).

При перетворенні прокаріот займає оголену ДНК, знайдену в його середовищі, і яка походить від інших клітин, які лізували після смерті і випустили їх вміст, включаючи їх геном, у навколишнє середовище. Багато бактерій природно компетентні, а це означає, що вони активно зв'язуються з ДНК навколишнього середовища, транспортують її через свої клітинні оболонки в свою цитоплазму і роблять її однонитковою. Як правило, дволанцюгова чужорідна ДНК всередині клітин руйнується нуклеазами як захист від вірусної інфекції. Однак ці нуклеази, як правило, неефективні проти одноцепочечной ДНК, тому ця одноцепочечная ДНК всередині клітини має можливість рекомбінувати в бактеріальний геном. Молекула ДНК, яка містить фрагменти ДНК різних організмів, називається рекомбінантною ДНК. (Рекомбінантна ДНК буде більш детально розглянута в Мікроби та інструменти генної інженерії.) Якщо бактерія включає нову ДНК у власний геном шляхом рекомбінації, бактеріальна клітина може набути нових фенотипічних властивостей. Наприклад, якщо непатогенна бактерія бере ДНК для гена токсину від збудника, а потім включає його в свою хромосому, вона теж може стати патогенною. Плазмідна ДНК також може бути захоплена компетентними бактеріями і надавати клітині нові властивості. Загалом, трансформація в природі є відносно неефективним процесом, оскільки рівень ДНК навколишнього середовища низький через активність нуклеаз, які також виділяються під час клітинного лізису. Крім того, генетична рекомбінація неефективна при включенні нових послідовностей ДНК в геном.

У природі бактеріальна трансформація є важливим механізмом придбання генетичних елементів, що кодують фактори вірулентності і антибіотикорезистентність. Показано, що гени, що кодують стійкість до антимікробних сполук, широко поширені в природі, навіть у середовищах, на які не впливає людина. Ці гени, які дозволяють мікробам, що живуть у змішаних громадах, конкурувати за обмежені ресурси, можуть передаватися в межах популяції шляхом трансформації, а також іншими процесами тушки. У лабораторії ми можемо використовувати природний процес трансформації бактерій для генної інженерії, щоб зробити найрізноманітніші лікарські засоби, про що йдеться у розділі Мікроби та інструменти генної інженерії.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Чому бактеріальна клітина робить екологічну ДНК, внесену в клітину, в однониткову форму?

Трансдукція

Віруси, що заражають бактерії (бактеріофаги), також можуть переміщати короткі шматочки хромосомної ДНК від однієї бактерії до іншої в процесі, який називається трансдукцією (див. Рис. Нагадаємо, що при генералізованій трансдукції будь-який шматочок хромосомної ДНК може бути перенесений в нову клітину-господаря шляхом випадкової упаковки хромосомної ДНК в головку фага під час фагової збірки. На відміну від цього, спеціалізована трансдукція є результатом неточного висічення лізогенного профага з бактеріальної хромосоми таким чином, що вона несе з собою шматок бактеріальної хромосоми з обох боків місця інтеграції фага до нової клітини-господаря. В результаті господар може придбати нові властивості. Цей процес називається лізогенним перетворенням. Маючи медичне значення, лізогенний фаг може нести з собою ген вірулентності своєму новому господареві. Після введення в хромосому нового господаря новий господар може набути патогенності. Кілька патогенних бактерій, включаючи Corynebacterium diphtheriae (збудник дифтерії) і Clostridium botulinum (збудник ботулізму), вірулентні через введення токсинокодуючих генів лізогенними бактеріофагами, що підтверджують клінічні актуальність трансдукції в обміні генів, що беруть участь в інфекційному захворюванні. Археї мають свої віруси, які транслокують генетичний матеріал від однієї особини до іншої.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

1. Що є агентом трансдукції прокаріотичних клітин?
2. У спеціалізованій трансдукції звідки береться перетворюючий шматок ДНК?

Клінічні наслідки трансдукції

Пол, 23-річний працівник допомоги з Атланти, поїхав до Гаїті в 2011 році, щоб надати допомогу після землетрусу 2010 року. Пропрацювавши там кілька тижнів, він раптово почав відчувати дистрес живота, включаючи сильні спазми, нудоту, блювоту та водянисту діарею. Він також почав відчувати інтенсивні м'язові спазми. У місцевій клініці лікар запідозрив, що симптоми Павла викликані холерою, оскільки після землетрусу стався спалах холери. Оскільки холера передається фекально-оральним шляхом, порушення санітарної інфраструктури, такі як часто трапляються після стихійних лих, можуть призвести до спалахів. Лікар підтвердив передбачуваний діагноз за допомогою холерного щупа. Потім він призначив Павлу разову дозу доксицикліну, а також солі для пероральної регідратації, доручивши йому пити значну кількість чистої води.

Холера викликається грамнегативним вигнутим стрижнем Vibrio cholerae (рис.\(\PageIndex{2}\)). Його симптоми значною мірою виникають внаслідок вироблення холерного токсину (КТ), який в кінцевому підсумку активує транспортер хлориду для викачування іонів хлориду з епітеліальних клітин в просвіт кишки. Потім вода слідує за іонами хлориду, викликаючи плідну водянисту діарею, характерну для холери. Ген, що кодує холерний токсин, включений в бактеріальну хромосому V. холери через зараження бактерії лізогенним ниткоподібним фагом CTX, який переносить ген КТ і вводить його в хромосому при інтеграції профага. Таким чином, патогенні штами V. cholerae є результатом горизонтального перенесення генів шляхом спеціалізованої трансдукції.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Скануюча електронна мікрофотографія холери Vibrio показує його характерну вигнуту форму стрижня.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

1. Чому спалахи холери частіше зустрічаються в результаті стихійного лиха?
2. Чому м'язові спазми - поширений симптом холери? Чому лікування солями пероральної регідратації так важливо для лікування холери?
3. Які стратегії можуть використовувати люди для запобігання передачі захворювань у районах, уражених холерою?

відмінювання

При кон'югації ДНК безпосередньо передається від одного прокаріота до іншого за допомогою кон'югаційного пілуса, який призводить організми в контакт один з одним. У кишковій паличці гени, що кодують здатність до кон'югату, розташовані на бактеріальній плазміді, яка називається плазмідою F, також відомою як фактор фертильності, а кон'югаційний пілус називається F pilus. Гени F-плазміди кодують як білки, що складають F pilus, так і ті, що беруть участь у реплікації плазміди по коченому колу. Клітини, що містять F плазміду, здатні утворювати F pilus, називаються F ⁺ клітинами або донорськими клітинами s, а ті, хто не має F плазміди, називаються F ⁻ клітинами або клітинами-реципієнтами s.

Відмінювання F плазміди

Під час типового кон'югації в E. coli F pilus F ⁺ клітини вступає в контакт з F ^- клітиною і втягується, приводячи дві клітинні оболонки в контакт (рис.\(\PageIndex{3}\)). Потім між двома клітинами в місці кон'югації пілуса утворюється цитоплазматичний міст. Оскільки кочення кола реплікації F плазміди відбувається в F ⁺ клітині, одноцепочечная копія F плазміди передається через цитоплазматичний міст в F ⁻ клітину, яка потім синтезує комплементарну нитку, роблячи її подвійною багатониткою. F ⁻ клітина тепер стає F ⁺ клітиною, здатною створювати власне сполучення pilus. Зрештою, у змішаній бактеріальної популяції, що містить як F ⁺, так і F ⁻ клітини, всі клітини стануть F ⁺ клітинами. Гени на плазміді E. coli F також кодують білки, що запобігають кон'югації між F ⁺ клітинами.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Типове сполучення F плазміди з F ⁺ клітини до F ⁻ клітини спричиняється сполученням pilus, що приводить дві клітини в контакт. Одна нитка F плазміди переноситься в F ⁻ осередок, яку потім роблять подвійною багатожильною.

Відмінювання F' і Hfr клітин

Хоча типова кон'югація в E. coli призводить до перенесення лише F-плазмідної ДНК, кон'югація також може переносити хромосомну ДНК. Це пояснюється тим, що F плазміда іноді інтегрується в бактеріальну хромосому через рекомбінацію між плазмідою та хромосомою, утворюючи клітину Hfr (рис.\(\PageIndex{4}\)). «Hfr» відноситься до високої частоти рекомбінації, що спостерігається, коли реципієнт F ⁻ клітини отримують генетичну інформацію від клітин Hfr шляхом кон'югації. Подібно до неточного висічення профага під час спеціалізованої трансдукції, інтегрована F плазміда також може бути неточно висічена з хромосоми, виробляючи плазміду F, яка несе з собою якусь хромосомну ДНК, прилеглу до місця інтеграції. Під час кон'югації ця ДНК вводиться в клітину-реципієнт і може підтримуватися як частина плазміди F 'або рекомбінуватися в бактеріальну хромосому клітини реципієнта.

Клітини Hfr також можуть лікувати бактеріальну хромосому як величезну F плазміду і намагатися передати її копію реципієнту F ⁻ клітині. Оскільки бактеріальна хромосома настільки велика, перенесення всієї хромосоми займає тривалий час (рис.\(\PageIndex{5}\)). Однак контакт між бактеріальними клітинами під час кон'югації є тимчасовим, тому для перенесення всієї хромосоми незвично. Хромосомна ДНК господаря поблизу місця інтеграції F плазміди, зміщена односпрямованим процесом реплікації коченого кола, швидше за все, буде перенесена та реоб'єднана в хромосому клітини реципієнта, ніж гени господаря далі. Таким чином, відносне розташування бактеріальних генів на геномі клітини Hfr може бути відображено на основі того, коли вони передаються через кон'югацію. В результаті до віку широко поширеного секвенування бактеріального генома відстані на картах прокаріотичного генома часто вимірювалися в хвилинах.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) F плазміда може іноді інтегруватися в бактеріальну хромосому, виробляючи клітину Hfr. (b) Неточне висічення F плазміди з хромосоми клітини Hfr може призвести до вироблення плазміди F ', яка несе хромосомну ДНК поруч з місцем інтеграції. Цю F' плазміду можна перенести в F ⁻ клітину шляхом кон'югації.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): (а) Клітина Hfr може спробувати перенести всю бактеріальну хромосому в F ⁻ клітину, обробляючи хромосому як надзвичайно велику F плазміду. Однак контакт між клітинами при кон'югації тимчасовий. Хромосомні гени, найближчі до місця інтеграції (ген 1), які вперше зміщуються під час реплікації коченого кола, будуть перенесені швидше, ніж гени далеко від місця інтеграції (ген 4). Отже, вони з більшою ймовірністю рекомбінуються в хромосому клітини реципієнта F ⁻. (b) Час, необхідний для перенесення гена, виявленого шляхом рекомбінації в хромосому F ⁻ клітини, може бути використаний для створення карти бактеріального генома, наприклад, цієї геномної карти кишкової палички. Зверніть увагу, що для передачі кон'югації весь геном (4,6 Мбіт/с) штаму Hfr E. coli потрібно приблизно 100 хвилин.

Наслідки і застосування відмінювання

Плазміди є важливим типом екстрахромосомного елемента ДНК у бактерій, і в тих клітині, які їх містять, вважаються частиною бактеріального генома. З клінічної точки зору плазміди часто кодують гени, що беруть участь у вірулентності. Наприклад, гени, що кодують білки, які роблять бактеріальну клітину стійкою до певного антибіотика, кодуються на R плазмідах. R плазміди, крім своїх генів для стійкості до протимікробних препаратів, містять гени, які контролюють кон'югацію та передачу плазміди. R плазміди здатні переноситися між клітинами одного виду і між клітинами різних видів. Поодинокі R плазміди зазвичай містять кілька генів, що надають стійкість до декількох антибіотиків.

Гени, необхідні для вироблення різних токсинів і молекул, важливих для колонізації під час інфекції, також можуть бути знайдені закодованими на плазмідах. Наприклад, виробляючі веротоксин штами E. coli (VTEC), схоже, придбали гени, що кодують токсин Шига, від його грамнегативного родича Shigella dysenteriae через придбання великої плазміди, що кодує цей токсин. VTEC викликає важке діарейне захворювання, яке може призвести до гемолітико-уремічного синдрому (ГУС), що може призвести до ниркової недостатності та смерті.

У неклінічних умовах бактеріальні гени, які кодують метаболічні ферменти, необхідні для деградації спеціалізованих атипових сполук, таких як поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАУ), також часто кодуються на плазмідах. Крім того, певні плазміди мають здатність переходити від бактеріальних клітин до інших типів клітин, таких як у рослин і тварин, за допомогою механізмів, відмінних від кон'югації. Такі механізми та їх використання в генній інженерії висвітлюються в сучасних додатках мікробної генетики.

Вправа\(\PageIndex{5}\)

1. Який тип реплікації виникає під час відмінювання?
2. Що відбувається, щоб виробляти клітину кишкової палички Hfr?
3. Які типи ознак кодуються на плазмідах?

Транспонування

Генетичні елементи, звані транспозонами (транспозованими елементами), або «стрибають генами», - це молекули ДНК, які включають спеціальні інвертовані повторні послідовності на їх кінцях і ген, що кодує ферментну транспозазу (рис.\(\PageIndex{6}\)). Транспозони дозволяють всій послідовності самостійно висікати з одного місця в молекулі ДНК і інтегруватися в ДНК в іншому місці за допомогою процесу, який називається транспозицією. Транспозони були спочатку виявлені в кукурудзі (кукурудза) американським генетиком Барбарою МакКлінток (1902—1992) у 1940-х роках. З тих пір транспозони були виявлені у всіх типах організмів, як прокаріотів, так і еукаріот. Таким чином, на відміну від трьох попередніх обговорюваних механізмів, транспозиція не є специфічною для прокаріота. Більшість транспозонів не реплікативні, тобто вони рухаються в «вирізати і вставити» моди. Деякі з них можуть бути реплікаційними, однак зберігаючи своє розташування в ДНК під час створення копії, яку потрібно вставити в інше місце («скопіювати та вставити»). Оскільки транспозони можуть переміщатися всередині молекули ДНК, від однієї молекули ДНК до іншої або навіть від однієї клітини до іншої, вони мають здатність впроваджувати генетичне різноманіття. Рух всередині однієї молекули ДНК може змінювати фенотип шляхом інактивації або активації гена.

Транспозони можуть нести з собою додаткові гени, переміщаючи ці гени з одного місця в інше разом з ними. Наприклад, бактеріальні транспозони можуть переміщувати гени резистентності до антибіотиків, переміщаючи їх з хромосом в плазміди. Показано, що цей механізм відповідає за колокалізацію множинних генів резистентності до антибіотиків на одній плазміді R у штамах Шигели, що викликають бактеріальну дизентерію. Така R плазміда потім може бути легко перенесена серед бактеріальної популяції через процес кон'югації.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Транспозони - це сегменти ДНК, які мають здатність рухатися з одного місця в інше, оскільки вони кодують для ферменту транспозази. У цьому прикладі нереплікативний транспозон порушив ген B. Наслідок того, що транскрипція гена B тепер може бути перервана.

Вправа\(\PageIndex{6}\)

Які два способи транспозон може вплинути на фенотип клітини він рухається до?

Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює процеси, розглянуті в цьому розділі.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Зведення механізмів генетичного різноманіття у прокаріотів

Термін	Визначення
відмінювання	Перенесення ДНК через прямий контакт з використанням пілуса кон'югації
Трансдукція	Механізм горизонтального перенесення генів у бактерій, в яких гени передаються через вірусну інфекцію
Трансформація	Механізм горизонтального перенесення генів, при якому оголена екологічна ДНК засвоюється бактеріальною клітиною
Транспонування	Процес, за допомогою якого ДНК самостійно висікає з одного місця в молекулі ДНК та інтегрується в інше місце

Клінічна спрямованість: Частина 3

Незважаючи на продовження лікування антибіотиками, інфекція Марка продовжувала стрімко прогресувати. Заражена область продовжувала розширюватися, і його довелося поставити на апарат ШВЛ, щоб допомогти йому дихати. Лікар Марка призначив хірургічне видалення інфікованої тканини. Після початкової операції рану Марка щодня контролювали, щоб переконатися, що інфекція не повернулася, але продовжувала поширюватися.

Після двох додаткових раундів операції інфекція, нарешті, здавалося, була стримана. Через кілька днів Марк був знятий з апарату ШВЛ і зміг дихати самостійно. Однак він втратив велику кількість шкіри та м'яких тканин на гомілці.

Вправа\(\PageIndex{7}\)

1. Чому при видаленні інфікованої тканини стовбура інфекція?
2. Які можливі ускладнення цього методу лікування?

Ключові поняття та резюме

• Горизонтальна передача генів є важливим способом для безстатево розмножуються організмів, таких як прокаріоти, придбати нові риси.
• Існує три механізми горизонтального перенесення генів, які зазвичай використовуються бактеріями: трансформація, трансдукція та кон'югація.
• Трансформація дозволяє компетентним клітинам приймати оголену ДНК, звільнену від інших клітин після їх загибелі, в їх цитоплазму, де вона може рекомбінувати з геном господаря.
• При генералізованій трансдукції будь-який шматок хромосомної ДНК може бути перенесений шляхом випадкової упаковки деградованої хромосоми господаря в головку фага. При спеціалізованій трансдукції в результаті неточного висічення профага може бути перенесена тільки хромосомна ДНК, що прилягає до місця інтеграції лізогенного фага.
• Кон'югація опосередкована плазмідою F, яка кодує пілус кон'югації, який призводить F- клітину, що містить плазміду F ⁺, в контакт з F ^- клітиною.
• Рідкісна інтеграція F плазміди в бактеріальну хромосому, генеруючи Hfr клітину, дозволяє перенести хромосомну ДНК від донора до реципієнта. Крім того, неточне висічення F плазміди з хромосоми може генерувати F' плазміду, яка може бути передана реципієнту шляхом кон'югації.
• Кон'югаційний перенос R плазмід є важливим механізмом поширення антибіотикорезистентності в бактеріальних спільнотах.
• Транспозони - це молекули ДНК з перевернутими повторами на їх кінцях, які також кодують ферментну транспозазу, дозволяючи їх переміщення з одного місця в ДНК в інше. Хоча виявлені як у прокаріотів, так і в еукаріотів, транспозони є клінічно актуальними у бактеріальних збудників для руху факторів вірулентності, включаючи гени резистентності до антибіотиків.