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.