ГОРИЗОНТАЛЬНИЙ ПЕРЕНОС ГЕНІВ: МЕХАНІЗМИ ТА ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Горизонтальний перенос генів або бічній перенесення генів є обмін генетичним матеріалом між організмами, який не відбувається в сім'ях. Ця подія відбувається між особами одного покоління і може відбуватися у одноклітинних або багатоклітинних істот.

Горизонтальний перенос відбувається через три основні механізми: кон'югація, трансформація та трансдукція. У першому типі можливий обмін довгими фрагментами ДНК, тоді як в останніх двох перенесення обмежується невеликими сегментами генетичного матеріалу.

Бактерія. ТГГ поширений у цих організмах. Джерело pixabay.com

Протилежне поняття - вертикальний перенос генів, коли генетична інформація переходить від організму до його потомства. Цей процес широко поширений у еукаріотів, як рослин і тварин. Навпаки, горизонтальний перенос є загальним у мікроорганізмів.

У еукаріотів горизонтальний перенос зустрічається не так часто. Однак є дані про обмін цього явища, в тому числі і предка людей, які отримали певні гени за допомогою вірусів.

Що таке горизонтальний перенос гена?

Під час розмноження еукаріотичні організми передають свої гени від одного покоління своєму потомству (дітям) у процесі, відомому як вертикальний перенос генів. Прокаріоти також виконують цей крок, але шляхом безстатевого розмноження за допомогою поділу чи інших механізмів.

Однак у прокаріотів існує інший спосіб обміну генетичним матеріалом, який називається горизонтальним переносом генів. Тут фрагменти ДНК обмінюються між організмами одного покоління і можуть переходити від одного виду до іншого.

Горизонтальний перенос відносно поширений серед бактерій. Візьмемо приклад генів, що викликають стійкість до антибіотиків. Ці важливі фрагменти ДНК переносяться нормально між бактеріями різних видів.

Ці механізми передбачають значні медичні ускладнення при лікуванні інфекцій.

Механізми

Існує три основні механізми, за допомогою яких ДНК можна обмінювати горизонтальним переносом. Це кон'югація, перетворення та трансдукція.

Кон'югація

Перенесення генів за допомогою кон'югації - єдиний тип, який передбачає прямий контакт двох бактерій.

Однак це не повинно порівнюватися з обміном генами шляхом статевого розмноження (там, де зазвичай відбувається контакт між залученими організмами), оскільки процес дуже різний. Серед основних відмінностей - відсутність мейозу.

Під час кон'югації відбувається проходження генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої через фізичний контакт, встановлений структурою, що називається пілі. Це працює як сполучний міст, де відбувається обмін.

Хоча бактерії не диференціюються за статтю, організм, який переносить невелику циркулярну ДНК, відому як фактор F (фертильність f), відомий як "чоловічий". Ці клітини є донорами під час кон'югації, передаючи матеріал іншій клітині, якій не вистачає фактора.

ДНК фактора F складається з приблизно 40 генів, які контролюють реплікацію статевого фактору та синтез статевих піли.

Перші докази процесу кон'югації походять з експериментів Ледерберга та Татума, але саме Бернард Девіс остаточно показав, що контакт необхідний для передачі.

Трансформація

Трансформація передбачає взяття оголеної молекули ДНК, яка знаходиться в навколишньому середовищі, близькій до бактерій-господарів. Цей шматочок ДНК походить від іншої бактерії.

Процес може здійснюватися природним шляхом, оскільки популяції бактерій зазвичай зазнають трансформації. Аналогічно, трансформація може бути змодельована в лабораторії, щоб змусити бактерії зайняти ДНК, що представляє інтерес, що знаходиться зовні.

Теоретично можна взяти будь-який шматочок ДНК. Однак у цьому процесі спостерігається залучення невеликих молекул.

Трандукція

Нарешті, механізм трансдукції відбувається за допомогою фага (вірусу), який переносить ДНК від бактерії донора до реципієнта. Як і в попередньому випадку, кількість переданої ДНК порівняно мала, оскільки здатність вірусу нести ДНК обмежена.

Зазвичай цей механізм обмежений бактеріями, які є філогенетично близькими, оскільки вірус, який переносить ДНК, повинен зв'язуватися з певними рецепторами для бактерій, щоб ввести матеріал.

Приклади

Ендонуклеази - це ферменти, які мають здатність розривати фосфодіефірні зв’язки всередині полінуклеотидного ланцюга, зсередини - саме тому вони відомі як "ендо". Ці ферменти нікуди не ріжуться, у них є конкретні сайти для цього, звані сайти рестрикції.

Амінокислотні послідовності для ферментів EcoRI (у E. coli) та RSRI (у Rhodobacter sphaeroides) мають послідовність майже 300 залишків амінокислот, які на 50% однакові між собою, що чітко вказує на близьку еволюційну спорідненість.

Однак, завдяки вивченню інших молекулярних та біохімічних характеристик, ці дві бактерії сильно відрізняються і дуже мало пов'язані з філогенетичної точки зору.

Крім того, ген, який кодує фермент EcoRI, використовує дуже специфічні кодони, які відрізняються від тих, які зазвичай використовуються кишковою паличкою, тому підозрюють, що ген не виник у цій бактерії.

Горизонтальний перенос генів в еволюції

У 1859 році британський натураліст Чарльз Дарвін здійснив революцію в біологічних науках своєю теорією еволюції шляхом природного відбору. У своїй знаковій книзі «Походження видів» Дарвін пропонує метафору дерева життя для ілюстрації генеалогічних зв’язків між видами.

Сьогодні філогенії - це формальне представлення цієї метафори, де передбачається, що передача генетичної інформації відбувається вертикально - від батьків до дітей.

Ми можемо застосовувати це бачення без особливих незручностей до багатоклітинних організмів і отримаємо розгалужену схему, як пропонує Дарвін.

Однак таке представлення гілок без зрощення важко застосувати до мікроорганізмів. Порівнюючи геноми різних прокаріотів, зрозуміло, що між родами існує велика передача генів.

Таким чином, закономірність відносин більше нагадує мережу, з гілками, з'єднаними та зрощеними разом, завдяки перевазі горизонтального перенесення генів.

Список літератури

1. Gogarten, JP та Townsend, JP (2005). Горизонтальний перенос генів, інновація генома та еволюція. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, & Palmer, JD (2008). Горизонтальний перенос генів при еукаріотичній еволюції. Nature Reviews Генетика, 9 (8), 605.
3. Пірс, BA (2009). Генетика: концептуальний підхід. Panamerican Medical Ed.
4. Рассел, П., Герц, П., Макміллан, Б. (2013). Біологія: Динамічна наука. Нельсон Освіта.
5. Sumbali, G., & Mehrotra, RS (2009). Принципи мікробіології. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Горизонтальний перенесення генів. Академічна преса.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Вступ до мікробіології. Panamerican Medical Ed.