Transdukcija: kaip virusai perneša DNR tarp bakterijų ir ląstelių

Sužinokite, kaip transdukcija leidžia virusams pernešti DNR tarp bakterijų ir ląstelių — genų perdavimas, antibiotikų atsparumo mechanizmai ir virusiniai vektoriai.

Transdukcija - tai procesas, kurio metu virusas perkelia DNR iš vienos bakterijos į kitą. Tai viena iš horizontaliojo genus perdavimo formų, kartu su transformacija ir konjugacija. Transdukcija gali pakeisti bakterijų geno sudėtį, perduodama atsparumo genus, toksinus ar kitus fenotipus.

1952 m. Joshua Lederbergas ir jo studentas Nortonas Zinderis įrodė, kad bakteriofagai gali perduoti genetinę informaciją tarp Salmonella bakterijų. Šis procesas paaiškino, kaip skirtingų rūšių bakterijos gali labai greitai įgyti atsparumą tam pačiam antibiotikui. Nuo to laiko atrasta daug fagų, galinčių atlikti transdukciją; laboratorijoje dažnai naudojami pavyzdžiai yra fagai P1 (E. coli) ir P22 (Salmonella).

Transdukcija taip pat reiškia procesą, kurio metu svetima DNR į kitą ląstelę įvedama naudojant virusinį vektorių. Tai įprasta molekulinių biologų naudojama priemonė svetimam genui įvesti į ląstelės šeimininkės genomą. Toks „transdukcijos“ terminas taikomas ir bakterijas užkrėsti gebantiems fagams, ir virusiniams vektoriams, naudojamiems eukariotinėse ląstelėse.

Kai bakteriofagai užkrečia bakterijos ląstelę, įprastas jų dauginimosi būdas - panaudoti bakterijos šeimininkės ląstelės replikacijos, transkripcijos ir transliacijos mechanizmus, kad būtų sukurta daugybė užbaigtų viruso dalelių, įskaitant viruso DNR arba RNR ir baltyminį apvalkalą. Dėl šio proceso klaidų virusas gali perkelti DNR iš vienos bakterijos į kitą.

Transdukcijos tipai

• Generalizuota transdukcija – atsitiktinis bakterijos chromosomos (ar plazmidžių) fragmentų pakavimas į naujas viruso daleles per lytinį ciklą. Tokią transdukciją atlieka fagai, kurie lizinant šeimininką užpakuoja atsitiktinai paimtą bakterinę DNR. Dėl to gali būti perduodami įvairūs genai.
• Specializuota transdukcija – vyksta, kai provirofazė (integruotas fagų genomas) neteisingai išsikuria iš bakterijų geno ir kartu su fagų DNR pasiima šalia esančius šeimininko genus. Tokiu būdu perduodami tik konkretūs chromosomos regionai, artimi integracijos vietai.

Mechanizmas žingsnis po žingsnio

• Fagas prisitvirtina prie bakterijos ir injekuoja savo genomą.
• Fago genomui išsiplėtojant, virusas naudojasi šeimininko mašinėle savo komponentams sintezuoti.
• Pakavimo klaidos arba neteisingas provirofazės išsikūrimas gali leisti į naujas viruso daleles patekti dalims bakterinės DNR.
• Faginės dalelės išlaisvinamos lizuojant šeimininko ląstelę; jos vėliau užkrečia kitas bakterijas ir perneša į jas pavėluotą DNR.
• Pernešta DNR gali homologiniu rekombinavimu integruotis į recipientės genomą arba egzistuoti kaip plazmidė, taip suteikdama naujas savybes.

Laboratorinė transdukcija ir virusiniai vektoriai

Molekulinėje biologijoje transdukcija reiškia svetimo geno įvedimą naudojant virusinius vektorius. Dažniausiai naudojami vektoriai:

• Retrovirusai / lentivirusai – integruoja DNR į ląstelės genomą, todėl leidžia ilgalaikį geno ekspresavimą. Dažnai naudojami kamieninėms ląstelėms ir gyvų organizmų modeliavimo tyrimams.
• Adenovirusai – neintegruojantys arba retai integruojantys, veikia plačią ląstelių diapazoną ir pasižymi didesne pakavimo talpa; ekspresija paprastai laikina.
• Adeno-susiję virusai (AAV) – saugesni, mėgstami terapijai dėl mažesnio imuninio atsako ir stabilios ekspresijos kai kuriose audinių rūšyse, bet ribota pakavimo talpa.

Laboratorijoje vektoriai dažnai yra replikacijos nekompetentingi (negali pats daugintis šeimininke), o jų pakavimas vyksta specialiose pakavimo ląstelėse. Taip sumažinamas rizikos lygis ir kontroliuojamas genų perdavimas. Be to, vektoriai gali būti „pseudotipuoti“ (pvz., naudojant VSV-G baltymą), kad būtų išplėsta infekcijos diapazono (tropizmo) sritis.

Reikšmė ir praktinės pasekmės

• Antibiotikų atsparumo plitimas: transdukcija yra viena iš mechanikų, leidžiančių greitai pasklisti rezistenciniams genams tarp bakterijų populiacijų.
• Patogeniškumas: kai kurie toksinų genai (pvz., tam tikri E. coli toksinai) yra fagų pernešami, todėl fagai gali pakeisti bakterijų patogenezę.
• Genetinė įvairovė: transdukcija prisideda prie bakterijų evoliucijos ir adaptacijos.
• Biotechnologijos ir terapija: virusiniai vektoriai yra svarbūs genų terapijoje, diagnostikoje ir ląstelių inžinerijoje, tačiau reikalauja griežtų biosaugos priemonių.

Veiksniai, lemiantys transdukcijos efektyvumą

• Fago ir bakterijos šeimininko suderinamumas (host range).
• Faginio pakavimo mechanizmo specifiškumas ir pakavimo talpa.
• Multipliškumas infekcijos (MOI) ir ekologinės sąlygos (pvz., bakterijų tankis).
• Bakterijų genomo restrikcinių fermentų veikla ir rekombinacijos gebos.

Skirtumas nuo kitų horizontaliojo geno perdavimo būdų

• Transformacija – laisvos DNR uptake iš aplinkos, nepriklausoma nuo virusų.
• Konjugacija – tiesioginis DNR perdavimas tarp bakterijų per pilus ar kitą kontaktą, dažnai perduodami plazmidžiai.
• Transdukcija skiriasi tuo, kad perduoda DNR per virusinę dalelę.

Saugos ir kontrolės priemonės

Dėl transdukcijos vaidmens genų sklaidoje ir galimo panaudojimo laboratorijose svarbu taikyti biosaugos priemones: naudoti replikaciškai nekompetentingus vektorius, darbinę genų sekų kontrolę, tinkamas biologinės saugos klasės (BSL) sąlygas ir etinius reglamentus genų terapijai ar GMO kūrimui. Ekologinėje perspektyvoje svarbu stebėti ir riboti resistencijos genų sklaidą klinikinėse ir žemės ūkio aplinkose.

Apibendrinant, transdukcija yra galingas ir natūralus procesas, svarus tiek mikrobiologinei evoliucijai, tiek biotechnologinėms taikomosioms sritims. Suvokimas apie jos mechanizmus padeda pažaboti nepageidaujamą genų sklaidą ir saugiai naudoti virusinius vektorius moksluose bei medicinoje.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra transdukcija?

K: Kas atrado bakteriofagų gebėjimą perduoti genetinę informaciją tarp bakterijų?

K: Kodėl pernešimas yra svarbus norint suprasti atsparumą antibiotikams?

K: Kokia yra įprasta molekulinių biologų naudojama priemonė svetimam genui įvesti į ląstelės šeimininkės genomą?

K: Kaip dauginasi bakteriofagai?

K: Dėl kokių bakteriofago dauginimosi proceso klaidų virusas gali perkelti DNR iš vienos bakterijos į kitą?

K: Kaip vyksta perdavimai per virusinį vektorių?

Paieška pagal raidę