Horizontalusis genų perdavimas (HGT): apibrėžimas, mechanizmai ir reikšmė
Sužinokite apie horizontalųjį genų perdavimą (HGT): kas tai, mechanizmai, evoliucinė reikšmė, antibiotikų atsparumo plitimas ir genų inžinerijos pasekmės.
Horizontalusis genų perdavimas (HGT) (arba šoninis genų perdavimas) - tai procesas, kurio metu organizmas gauna genetinę medžiagą iš kito organizmo, nebūdamas to organizmo palikuonis.
O vertikalusis perdavimas vyksta tada, kai organizmas gauna genetinę medžiagą iš savo protėvio, pvz., tėvo arba rūšies, iš kurios jis išsivystė.
Daugiausia dėmesio genetikoje skiriama vertikaliajam perdavimui, tačiau vis dažniau suvokiama, kad horizontalusis genų perdavimas yra svarbus reiškinys. Tarp vienaląsčių organizmų tai gali būti dominuojanti genetinio perdavimo forma. Dirbtinis horizontalusis genų perdavimas yra genų inžinerijos forma.
Mechanizmai
- Transformacija – laisvos DNR įsisavinimas iš aplinkos. Kai ląstelės sienelė ir membrana leidžia išorinei DNR patekti ir inkorporuotis į genomą arba egzistuoti kaip plazmidė.
- Konjugacija – tiesioginis genų perdavimas per ląstelių kontaktą, dažniausiai per plazmides arba konjugacinius siūlus (pilus). Tai dažnas bakterijų populiacijose ir viena pagrindinių antibiotikų atsparumo sklaidos priežasčių.
- Transdukcija – genų perdavimas per bakteriofagus ar kitus virusus, kurie netikėtai perneša šeimininko DNR į kitas ląsteles.
- Mobilūs genominiai elementai – transpozonai, integronai, integraciniai konjuguojantys elementai (ICE) ir bakteriofagai gali pernešti genus tarp genomo dalių arba tarp individų.
- Endosimbiozė ir organelių perdavimas – eukariotų evoliucijoje svarbus veiksnys, pvz., mitochondrijų ir plastidžių kilmė nuo prokariotinių endosimbiontų; taip pat genų perėjimas iš bakterijų į eukariotų genomą per ilgalaikes sąveikas.
- Virusų tarpininkavimas eukariotuose – virusai gali pernešti genų fragmentus tarp gyvų organizmų arba įterpti savo genetinę medžiagą į šeimininko genomą.
Kur tai vyksta ir pavyzdžiai
HGT yra ypač dažnas bakterijų ir archejų pasaulyje, kur jis formuoja genomų struktūrą ir suteikia greitas adaptacijas. Taip pat yra įrodymų apie HGT tarp bakterijų ir eukariotų (pvz., grybeliai, augalai ir gyvūnai), ypač ten, kur yra artimos ekologinės sąveikos, parazitizmo ar simbiozės atvejai. Pavyzdžiai:
- Antibiotikams atsparių genų plitimas tarp patogeninių bakterijų per plazmides.
- Simbiotinės bakterijos augaluose perduoda metabolinius genus, leidžiančius naudoti tam tikrus junginius.
- Endosimbiotiniai perėjimai prisidėjo prie organelių atsiradimo eukariotuose ir arba prie naujų funkcijų įsigijimo.
Reikšmė evoliucijai, medicinai ir pramonei
- Evoliucija: HGT leidžia organizmams įgyti naujas savybes greičiau nei per palaipsninę mutacijų akumuliaciją ir rekombinaciją, formuoja genomų įvairovę ir gali sudėtingai paveikti filogenetinius ryšius.
- Medicina: plazmidėse ir kituose mobiliuose elementuose esantys atsparumo genai skatina daugialypį atsparumą antibiotikams ir sudaro didelį iššūkį infekcijų kontrolei.
- Biotechnologija: dirbtinis HGT (genų inžinerija) naudojamas kuriant genetiškai modifikuotus mikroorganizmus, augalus ir gyvūnus, taip pat terapijose (pvz., vektorinė genų terapija).
- Ekologija ir žemės ūkis: HGT gali keisti mikrobiomų funkcijas, paveikti biogeocheminius ciklus ir turėti įtakos pasėlių bei maisto saugai.
Kaip nustatomas HGT
- Filogenetinė neatitikimų analizė – genų medžių ir rūšių medžių skirtumai rodo galimą HGT.
- Nepastovus GC turinys ar kodono naudojimo įpročių pokyčiai geno sekoje, kurie skiriasi nuo šeimininko geno.
- Mobilūs elementai, plazmidės, virusų žymenys ar integracijos vietos identifikavimas genomuose.
- Metagenominiai tyrimai leidžia aptikti HGT reiškinius mišriose bendrijose be kultivavimo.
Ribojimai ir atsparos mechanizmai
Nors HGT yra efektyvus genų perdavimo būdas, jam egzistuoja kliūčių: ląstelės barjerai (membranos, sienelės), restrikcijos-modifikacijos sistemos, CRISPR–Cas imunitetas, funkciniai neatitikimai tarp pernešiamų genų ir šeimininko biologijos, bei ekologinės izoliacijos faktoriai. Tik tam tikri perkelti genai bus išlikę selekcijos sąlygomis ir integruosis į populiaciją.
Išvados
Horizontalusis genų perdavimas yra būtinas suprasti ne tik mikroorganizmų evoliuciją, bet ir šiuolaikinės medicinos, farmacijos bei žemės ūkio iššūkius. Jis suteikia greitą adaptaciją ir inovacijų kelią genomams, bet kartu kelia riziką pernešant pavojingas savybes, pvz., atsparumą antibiotikams. Todėl HGT tyrimai ir stebėsena yra svarbūs tiek teorinei biologijai, tiek praktinėms taikomosios biologijos sritims.
Mechanizmas
Yra keletas horizontalaus genų perdavimo mechanizmų:
- Transformacija - genetinis ląstelės pokytis, atsirandantis dėl svetimos genetinės medžiagos (DNR arba RNR) įvedimo, įsisavinimo ir raiškos. Šis procesas yra gana dažnas bakterijose, bet mažiau paplitęs eukariotuose. Transformacija dažnai naudojama laboratorijose, siekiant įterpti naujus genus į bakterijas eksperimentams arba pramoniniam ar medicininiam naudojimui.
- Transdukcija - procesas, kurio metu bakterijų DNR iš vienos bakterijos į kitą perkeliama bakterijų virusu (bakteriofagu arba fagu).
- Bakterijų konjugacija - procesas, kurio metu bakterijos ląstelė perduoda genetinę medžiagą kitai ląstelei per sąlytį tarp ląstelių.
- Genų perkėlimo agentas arba GTA yra į virusą panašus elementas, kuriame yra atsitiktinių šeimininko chromosomos dalių. Jų randama daugumoje alfaproteobakterijų būrio Rhodobacterales atstovų. Juos koduoja šeimininko genomas. GTA perduoda DNR taip dažnai, kad gali būti, jog jie atlieka svarbų vaidmenį evoliucijoje.
2010 m. ataskaitoje nustatyta, kad atsparumo
antibiotikams genai gali būti perduodami kuriant GTA laboratorijoje. - Integronai - bakterijų "rinkinys" genų kasetėms perkelti.
Istorija
Pirmą kartą horizontalus genų perdavimas buvo aprašytas Japonijoje 1959 m. publikacijoje, kurioje buvo įrodytas atsparumo antibiotikams perdavimas tarp skirtingų bakterijų rūšių.
Aštuntojo dešimtmečio viduryje Syvanenas iškėlė mintį, kad šoninis genų perdavimas ne tik turi biologinę reikšmę, bet ir yra susijęs su evoliucijos istorijos formavimusi nuo pat gyvybės atsiradimo Žemėje pradžios.
"Genų ir genomų tyrimai vis dažniau rodo, kad tarp prokariotų vyko didelis horizontalus perdavimas". Atrodo, kad šis reiškinys turėjo tam tikrą reikšmę ir vienaląsčiams eukariotams. Kaip pastebi Bapteste ir kt., "papildomi įrodymai rodo, kad genų perdavimas taip pat gali būti svarbus evoliucinis mechanizmas protistų evoliucijoje".
Yra įrodymų, kad tai paveikė net aukštesniuosius augalus ir gyvūnus. Richardson ir Palmer (2007) teigia: "Horizontalusis genų perdavimas (HGT) atliko svarbų vaidmenį bakterijų evoliucijoje ir yra gana paplitęs tarp kai kurių vienaląsčių eukariotų. Tačiau HGT paplitimas ir svarba daugialąsčių eukariotų evoliucijoje lieka neaiškūs".
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra horizontalusis genų perdavimas?
A: Horizontalus genų perdavimas - tai procesas, kai organizmas gauna genetinę medžiagą iš kito organizmo, kuris nėra jo palikuonis.
K: Kuo horizontalus genų perdavimas skiriasi nuo vertikalaus perdavimo?
A: Vertikalusis perdavimas vyksta tada, kai organizmas gauna genetinę medžiagą iš savo protėvio, o horizontalusis genų perdavimas vyksta tada, kai organizmas gauna genetinę medžiagą iš kito organizmo, kuris nėra jo palikuonis.
K: Į ką daugiausia dėmesio buvo skiriama genetikai?
A: Daugiausia dėmesio genetikoje buvo skiriama vertikaliajam perdavimui.
K: Kodėl horizontalusis genų perdavimas yra svarbus reiškinys?
A: Horizontalus genų perdavimas yra svarbus reiškinys, nes tarp vienaląsčių organizmų jis gali būti dominuojanti genetinio perdavimo forma.
K: Kas yra dirbtinis horizontalusis genų perdavimas?
A. Dirbtinis horizontalusis genų perkėlimas yra genų inžinerijos rūšis, kai genetinė medžiaga sąmoningai perkeliama iš vieno organizmo į kitą.
K: Ar horizontalus genų perdavimas gali vykti tarp skirtingų rūšių organizmų?
A: Taip, horizontalus genų perdavimas gali vykti tarp skirtingų rūšių organizmų.
K: Ar visuose organizmuose vyksta horizontalus genų perdavimas?
Atsakymas: Ne, horizontalus genų perdavimas vyksta tik kai kuriuose organizmuose, ypač vienaląsčiuose.
Ieškoti