HORYZONTALNY TRANSFER GENÓW: MECHANIZMY I PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Horyzontalnego transferu genów lub boczne transferu genu jest wymiana materiału genetycznego pomiędzy organizmami, które nie występują w rodzinach. To zdarzenie ma miejsce między osobami z tego samego pokolenia i może wystąpić u istot jednokomórkowych lub wielokomórkowych.

Transfer poziomy zachodzi poprzez trzy główne mechanizmy: koniugację, transformację i transdukcję. W pierwszym typie możliwa jest wymiana długich fragmentów DNA, w dwóch ostatnich transfer ogranicza się do małych fragmentów materiału genetycznego.

Bakteria. THG jest powszechne w tych organizmach. Źródło pixabay.com

Odwrotną koncepcją jest pionowy transfer genów, w którym informacja genetyczna przechodzi z organizmu do potomstwa. Ten proces jest szeroko rozpowszechniony u eukariontów, takich jak rośliny i zwierzęta. Natomiast transfer poziomy jest powszechny w mikroorganizmach.

U eukariontów transfer poziomy nie jest tak powszechny. Istnieją jednak dowody na wymianę tego zjawiska, w tym przodka człowieka, który uzyskał określone geny przez wirusy.

Co to jest poziomy transfer genów?

Podczas rozmnażania organizmy eukariotyczne przekazują swoje geny z jednego pokolenia potomstwu (dzieciom) w procesie znanym jako pionowy transfer genów. Prokarionty również wykonują ten krok, ale poprzez rozmnażanie bezpłciowe poprzez rozszczepienie lub inne mechanizmy.

Jednak u prokariotów istnieje inny sposób wymiany materiału genetycznego zwany poziomym transferem genów. Tutaj fragmenty DNA są wymieniane między organizmami tego samego pokolenia i mogą przenosić się z jednego gatunku na inny.

Transfer poziomy jest stosunkowo powszechny wśród bakterii. Weźmy na przykład geny, które powodują oporność na antybiotyki. Te ważne fragmenty DNA są przenoszone normalnie między bakteriami różnych gatunków.

Mechanizmy te pociągają za sobą poważne komplikacje medyczne podczas leczenia infekcji.

Mechanizmy

Istnieją trzy podstawowe mechanizmy wymiany DNA poprzez transfer poziomy. Są to koniugacja, transformacja i transdukcja.

Koniugacja

Transfer genów poprzez koniugację jest jedynym typem, który obejmuje bezpośredni kontakt między dwiema bakteriami.

Nie należy go jednak porównywać z wymianą genów poprzez rozmnażanie płciowe (gdzie zwykle występuje kontakt między zaangażowanymi organizmami), ponieważ proces ten jest bardzo różny. Wśród głównych różnic jest brak mejozy.

Podczas koniugacji przechodzenie materiału genetycznego z jednej bakterii do drugiej odbywa się poprzez kontakt fizyczny ustanowiony przez strukturę zwaną pilusami. Działa jak most łączący, w którym następuje wymiana.

Chociaż bakterie nie różnicują się według płci, organizm, który niesie małe koliste DNA, znany jako czynnik F (płodność f), jest znany jako „męski”. Te komórki są dawcami podczas koniugacji, przekazując materiał do innej komórki, której brakuje tego czynnika.

DNA czynnika F składa się z około 40 genów, które kontrolują replikację czynnika płciowego i syntezę pilusów płciowych.

Pierwsze dowody na proces koniugacji pochodzą z eksperymentów Lederberga i Tatuma, ale to Bernard Davis w końcu wykazał, że kontakt był niezbędny do przeniesienia.

Transformacja

Transformacja polega na pobraniu nagiej cząsteczki DNA znajdującej się w środowisku blisko bakterii gospodarza. Ten fragment DNA pochodzi z innej bakterii.

Proces można przeprowadzić w sposób naturalny, ponieważ populacje bakterii normalnie ulegają transformacji. Podobnie transformacja może być symulowana w laboratorium, aby zmusić bakterie do pobrania interesującego DNA znajdującego się na zewnątrz.

Teoretycznie można pobrać dowolny fragment DNA. Jednak zaobserwowano, że proces ten obejmuje małe cząsteczki.

Transdukcja

Wreszcie, mechanizm transdukcji zachodzi za pomocą faga (wirusa), który przenosi DNA z bakterii dawcy do biorcy. Podobnie jak w poprzednim przypadku, ilość przenoszonego DNA jest stosunkowo niewielka, ponieważ zdolność wirusa do przenoszenia DNA jest ograniczona.

Zwykle mechanizm ten jest ograniczony do bakterii, które są filogenetycznie bliskie, ponieważ wirus przenoszący DNA musi wiązać się ze specyficznymi receptorami bakterii, aby wstrzyknąć materiał.

Przykłady

Endonukleazy to enzymy, które mają zdolność rozrywania wiązań fosfodiestrowych w łańcuchu polinukleotydowym od wewnątrz - dlatego nazywane są „endo”. Enzymy te nigdzie się nie tną, mają do tego określone miejsca, zwane miejscami restrykcyjnymi.

Sekwencje aminokwasowe enzymów EcoRI (w E. coli) i RSRI (w Rhodobacter sphaeroides) mają sekwencję prawie 300 reszt aminokwasowych, które są w 50% identyczne ze sobą, co wyraźnie wskazuje na bliskie pokrewieństwo ewolucyjne.

Jednak dzięki badaniu innych cech molekularnych i biochemicznych te dwie bakterie są bardzo różne i są bardzo mało spokrewnione z filogenetycznego punktu widzenia.

Ponadto gen kodujący enzym EcoRI wykorzystuje bardzo specyficzne kodony, różniące się od tych normalnie używanych przez E. coli, więc podejrzewa się, że gen nie pochodzi z tej bakterii.

Horyzontalny transfer genów w ewolucji

W 1859 roku brytyjski przyrodnik Karol Darwin zrewolucjonizował nauki biologiczne swoją teorią ewolucji poprzez dobór naturalny. W swojej kultowej książce The Origin of Species Darwin proponuje metaforę drzewa życia, aby zilustrować genealogiczne powiązania między gatunkami.

Dziś filogenie są formalną reprezentacją tej metafory, w której przyjmuje się, że przekazywanie informacji genetycznej odbywa się w pionie - od rodziców do dzieci.

Możemy zastosować tę wizję bez większych niedogodności do organizmów wielokomórkowych i otrzymamy wzór rozgałęziony, jak proponuje Darwin.

Jednak ta reprezentacja gałęzi bez fuzji jest trudna do zastosowania w przypadku mikroorganizmów. Porównując genomy różnych prokariotów, jest jasne, że istnieje rozległy transfer genów między liniami.

Tak więc wzór relacji przypomina bardziej sieć, z gałęziami połączonymi i połączonymi ze sobą, dzięki przewadze poziomego transferu genów.

Bibliografia

1. Gogarten, JP i Townsend, JP (2005). Horyzontalny transfer genów, innowacje i ewolucja genomu. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ i Palmer, JD (2008). Horyzontalny transfer genów w ewolucji eukariotycznej. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetyka: podejście koncepcyjne. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P. i McMillan, B. (2013). Biologia: dynamiczna nauka. Edukacja Nelsona.
5. Sumbali, G. i Mehrotra, RS (2009). Zasady mikrobiologii. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Horyzontalny transfer genów. Academic Press.
7. Tortora, GJ, Funke, BR i Case, CL (2007). Wprowadzenie do mikrobiologii. Panamerican Medical Ed.