Poziome mechanizmy transferu genów i przykłady



The poziomy transfer genów lub boczny transfer genów to wymiana materiału genetycznego między organizmami, co nie dzieje się z ojca na syna. To zdarzenie ma miejsce między osobnikami 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, podczas gdy w dwóch ostatnich transfer jest ograniczony do małych segmentów materiału genetycznego.

Przeciwną koncepcją jest transfer pionowy genów, w których 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 wymiany tego zjawiska, w tym pochodzenia ludzi, którzy uzyskali pewne geny za pomocą wirusów.

Indeks

  • 1 Czym jest poziomy transfer genów?
  • 2 mechanizmy
    • 2.1 Koniugacja
    • 2.2 Transformacja
    • 2.3 Transdukcja
  • 3 Przykłady
  • 4 Poziomy transfer genów w ewolucji
  • 5 referencji

Czym jest poziomy transfer genów?

Podczas rozmnażania organizmy eukariotyczne przekazują swoje geny z pokolenia na pokolenie (potomstwo) w procesie zwanym pionowym transferem genów. Prokarionty również wykonują ten krok, ale poprzez rozmnażanie bezpłciowe przez zjawisko rozszczepienia 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 przechodzić z jednego gatunku do drugiego.

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

Wspomniane mechanizmy zakładają znaczne komplikacje medyczne podczas leczenia infekcji.

Mechanizmy

Istnieją trzy podstawowe mechanizmy, dzięki którym DNA można wymieniać za pomocą transferu poziomego. Są to koniugacja, transformacja i transdukcja.

Koniugacja

Transfer genów przez koniugację jest jedynym typem, który obejmuje bezpośredni kontakt między dwoma bakteriami.

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

Podczas koniugacji przejście materiału genetycznego z jednej bakterii na drugą odbywa się za pomocą kontaktu fizycznego ustanowionego przez strukturę zwaną pilusami. Działa to jako most łączący, gdzie następuje wymiana.

Chociaż bakterie nie różnicują się na płeć, to jest nazywane „męskim” organizmowi, który niesie mały kolisty DNA znany jako czynnik F (płodność f). Te komórki są dawcami podczas koniugacji i przekazują materiał do innej komórki, w której brakuje 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 udowodnił, że kontakt był konieczny do przekazania.

Transformacja

Transformacja polega na pobraniu nagiej cząsteczki DNA, która znajduje się w środowisku w pobliżu bakterii gospodarza. Ten fragment DNA pochodzi z innej bakterii.

Proces można przeprowadzić naturalnie, ponieważ populacje bakterii zwykle ulegają transformacji. Podobnie transformację można symulować w laboratorium, aby zmusić bakterie do pobrania interesującego DNA znajdującego się na zewnątrz.

Teoretycznie można pobrać dowolny fragment DNA. Zaobserwowano jednak, że proces 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.

Zazwyczaj mechanizm ten jest ograniczony do bakterii blisko filogenetycznych, ponieważ wirus niosący DNA musi wiązać się ze specyficznymi receptorami bakterii, aby móc wstrzyknąć materiał.

Przykłady

Endonukleazy są enzymami, które mają zdolność do rozbijania wiązań fosfodiestrowych w łańcuchu polinukleotydowym, od wewnątrz - dlatego są znane jako „endo”. Enzymy te nie przecinają się nigdzie, mają specyficzne miejsca do tego, zwane miejscami restrykcyjnymi.

Sekwencja aminokwasowa enzymów EcoRI (w E. coli) i RSRI (w Rhodobacter sphaeroides) posiadają sekwencję prawie 300 reszt aminokwasowych, które są w 50% identyczne ze sobą, co wyraźnie wskazuje na ścisły związek ewolucyjny.

Jednak dzięki badaniu innych cech molekularnych i biochemicznych, te dwie bakterie są bardzo różne i są bardzo niezwiązane z filogenetycznym punktem widzenia.

Ponadto gen kodujący enzym EcoRI wykorzystuje bardzo specyficzne kodony, które różnią się od normalnie stosowanych E. coli, więc podejrzewa się, że gen nie pochodzi z tej bakterii.

Horyzontalny transfer genów w ewolucji

W roku 1859 brytyjski przyrodnik Charles Darwin zrewolucjonizował nauki biologiczne swoją teorią ewolucji poprzez dobór naturalny. W swojej kultowej książce, Pochodzenie gatunku, Darwin proponuje metaforę drzewa życia, aby zilustrować związki genealogiczne istniejące między gatunkami.

Dzisiaj filogenezy stanowią formalną reprezentację takiej metafory, w której zakłada się, że przekaz informacji genetycznej odbywa się pionowo - od rodziców do dzieci.

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

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

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

Referencje

  1. Gogarten, J. P., i Townsend, J. P. (2005). Horyzontalny transfer genów, innowacja genomu i ewolucja. Nature Reviews Microbiology, 3(9), 679.
  2. Keeling, P. J., i Palmer, J. D. (2008). Poziomy transfer genów w ewolucji eukariotycznej. Nature Reviews Genetics, 9(8), 605.
  3. Pierce, B. A. (2009). Genetyka: podejście koncepcyjne. Ed. Panamericana Medical.
  4. Russell, P., Hertz, P. i McMillan, B. (2013). Biologia: dynamiczna nauka. Edukacja Nelsona.
  5. Sumbali, G. i Mehrotra, R. S. (2009). Zasady mikrobiologii. McGraw-Hill.
  6. Syvanen, M., & Kado, C. I. (2001). Poziomy transfer genów. Academic Press.
  7. Tortora, G. J., Funke, B. R. i Case, C. L. (2007). Wprowadzenie do mikrobiologii. Ed. Panamericana Medical.