Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Бактериальная конъюгация - это передача генетического материала между бактериальными клетками посредством прямого межклеточного контакта или мостикового соединения между двумя клетками. [1] Это происходит через пилус . [2] Это парасексуальный способ размножения бактерий.

Это механизм горизонтального переноса генов, а также трансформация и трансдукция, хотя эти два других механизма не связаны с межклеточным контактом. [3]

Классическая бактериальная конъюгация E. coli часто рассматривается как бактериальный эквивалент полового размножения или спаривания, поскольку она включает обмен генетическим материалом. Однако это не половое размножение, так как не происходит обмена гамет и, по сути, не происходит генерации нового организма : вместо этого преобразуется существующий организм. Во время классической конъюгации E. coli донорская клетка обеспечивает конъюгативный или мобилизуемый генетический элемент, который чаще всего является плазмидой или транспозоном . [4] Большинство конъюгативных плазмид имеют системы, гарантирующие, что реципиент ячейка еще не содержит подобный элемент.

Передаваемая генетическая информация часто приносит пользу получателю. Преимущества могут включать устойчивость к антибиотикам , толерантность к ксенобиотикам или способность использовать новые метаболиты . [5] Другие элементы могут быть вредными и могут рассматриваться как бактериальные паразиты .

Конъюгация в Escherichia coli путем спонтанного зигогенеза [6] и в Mycobacterium smegmatis путем дистрибутивного конъюгированного переноса [7] [8] отличается от более хорошо изученной классической конъюгации E. coli тем, что в этих случаях происходит существенное смешение родительских геномов .

История [ править ]

Этот процесс был открыт Джошуа Ледербергом и Эдвардом Татумом [9] в 1946 году.

Механизм [ править ]

Схематический рисунок бактериальной конъюгации.

Диаграмма сопряжения

  1. Донорская клетка производит пилус .
  2. Пилус прикрепляется к клетке-реципиенту и объединяет две клетки.
  3. Подвижная плазмида разрывается, и затем одиночная цепь ДНК переносится в реципиентную клетку.
  4. Обе клетки синтезируют комплементарную цепь для получения двухцепочечной кольцевой плазмиды, а также воспроизводят пили; обе клетки теперь являются жизнеспособными донорами F-фактора. [1]

F-плазмида является эписомой (плазмида , которая может интегрироваться в бактериальную хромосому пути гомологичной рекомбинации ) с длиной около 100 кб . Он несет свой собственный источник репликации , oriV , и источник передачи, или oriT . [4] В данной бактерии может быть только одна копия F-плазмиды, свободная или интегрированная, а бактерии, обладающие такой копией, называются F-позитивными или F-плюс (обозначаются F + ). Клетки, в которых отсутствуют плазмиды F, называются F-отрицательными или F-минус (F- ) и как таковые могут функционировать как клетки-получатели.

Помимо другой генетической информации, F-плазмида несет локусы tra и trb , которые вместе имеют длину около 33 т.п.н. и состоят из около 40 генов . TRA локус включает пилина ген и регуляторные гены, которые вместе образуют фимбрии на клеточной поверхности. Локус также включает гены белков, которые прикрепляются к поверхности F - бактерий и инициируют конъюгацию. Хотя есть некоторые споры о точном механизме конъюгации, похоже, что пили не являются структурами, через которые происходит обмен ДНК. Это было показано в экспериментах, в которых пилусам позволяют контактировать, но затем ониденатурировали с помощью SDS, но трансформация ДНК все еще продолжается. Несколько белков, кодируемых в локусе tra или trb, по- видимому, открывают канал между бактериями, и считается, что фермент traD, расположенный в основании пилуса, инициирует слияние мембран.

Когда конъюгация инициируется сигналом, фермент релаксаза создает разрыв в одной из цепей конъюгативной плазмиды в oriT . Релаксаза может работать самостоятельно или в комплексе из более чем дюжины белков, известных под общим названием релаксосома . В системе F-плазмиды фермент релаксазы называется TraI, а релаксосома состоит из TraI, TraY, TraM и интегрированного фактора хозяина IHF. Разорванная цепь, или Т-цепь , затем разворачивается от неразрывной цепи и переносится в реципиентную клетку в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Оставшаяся цепь реплицируется независимо от конъюгативного действия (вегетативная репликация начинается с oriV.) Или во взаимодействии с сопряжением (конъюгативной репликации аналогично прокатной окружности репликации фага лямбда ). Для конъюгативной репликации может потребоваться второй ник, прежде чем произойдет успешный перенос. В недавнем отчете утверждается, что он ингибировал конъюгацию с химическими веществами, которые имитируют промежуточный этап этого второго события пощипывания. [10]

1. Последовательности вставки (желтый) как в плазмиде фактора F, так и в хромосоме имеют сходные последовательности, что позволяет фактору F встраиваться в геном клетки. Это называется гомологичной рекомбинацией.и создает ячейку Hfr (высокая частота рекомбинации). 2. Клетка Hfr образует пилус и прикрепляется к F-клетке-реципиенту. 3. В одной из нитей хромосомы клетки Hfr образуется разрыв. 4. ДНК начинает передаваться от клетки Hfr к клетке-реципиенту, в то время как вторая цепь ее хромосомы реплицируется. 5. пилус отделяется от клетки-реципиента и втягивается. Клетка Hfr в идеале хочет передать весь свой геном клетке-реципиенту. Однако из-за своего большого размера и невозможности поддерживать контакт с клеткой-получателем он не может этого сделать. 6.a. F-клетка остается F-, потому что вся последовательность фактора F не была получена. Поскольку не произошло гомологичной рекомбинации, перенесенная ДНК разрушается ферментами. [11] б. В очень редких случаях фактор F будет полностью передан, и F-клетка станет клеткой Hfr. [12]

Если переносимая F-плазмида была ранее интегрирована в геном донора (продуцируя штамм Hfr [«Высокая частота рекомбинации»]), часть хромосомной ДНК донора также может быть перенесена с плазмидной ДНК. [3] Количество передаваемой хромосомной ДНК зависит от того, как долго две конъюгированные бактерии остаются в контакте. В обычных лабораторных штаммах E. coli перенос всей бактериальной хромосомы занимает около 100 минут. Затем перенесенная ДНК может быть интегрирована в геном реципиента посредством гомологичной рекомбинации .

Культура клеток, которая содержит в своей популяции клетки с неинтегрированными F-плазмидами, обычно также содержит несколько клеток, которые случайно интегрировали свои плазмиды. Именно эти клетки ответственны за низкочастотный перенос хромосомных генов, происходящий в таких культурах. Некоторые штаммы бактерий с интегрированной F-плазмидой можно выделить и выращивать в чистой культуре. Поскольку такие штаммы передача хромосомных генов очень эффективно они называется Hfr ( ч IGH е requency из г ecombination). E.coli , геномбыл первоначально картирован в ходе экспериментов по прерванному спариванию, в которых различные клетки Hfr в процессе конъюгации были оторваны от реципиентов менее чем через 100 минут (первоначально с использованием блендера Waring). Затем были исследованы переданные гены.

Поскольку интеграция F-плазмиды в хромосому E. coli является редким спонтанным явлением, и поскольку многочисленные гены, способствующие переносу ДНК, находятся в геноме плазмиды, а не в геноме бактерий, утверждалось, что конъюгативный перенос бактериальных генов, как он встречается в системе Hfr E. coli , не является эволюционной адаптацией бактериального хозяина и, вероятно, не является предком эукариотического пола. [13]

Спонтанный зигогенез у E. coli

В дополнение к классической бактериальной конъюгации, описанной выше для E. coli , у некоторых штаммов E. coli наблюдается форма конъюгации, называемая спонтанным зигогенезом (Z-спаривание для краткости) . [6] При Z-спаривании происходит полное генетическое смешение, и образуются нестабильные диплоиды , которые отбрасывают фенотипически гаплоидные клетки, некоторые из которых демонстрируют родительский фенотип, а некоторые являются истинными рекомбинантами .

Конъюгальный перенос у микобактерий [ править ]

Конъюгация у Mycobacteria smegmatis , как и у E. coli , требует стабильного и продолжительного контакта между донором и штаммом-реципиентом, устойчива к ДНКазе, а перенесенная ДНК встраивается в хромосому реципиента путем гомологичной рекомбинации. Однако, в отличие от конъюгации Hfr E. coli , микобактериальная конъюгация основана на хромосоме, а не плазмиде. [7] [8] Кроме того, в отличие от конъюгации Hfr E. coli , у M. smegmatisвсе участки хромосомы переносятся с сопоставимой эффективностью. Длина донорских сегментов сильно различается, но средняя длина составляет 44,2 КБ. Поскольку в среднем переносится 13 участков, среднее количество перенесенной ДНК на геном составляет 575 КБ. [8] Этот процесс называется «распределительный супружеский перенос». [7] [8] Gray et al. [7] обнаружили существенное смешение родительских геномов в результате конъюгации и расценили это смешение как напоминающее то, что наблюдается в мейотических продуктах полового размножения.

Передача между королевствами [ править ]

Agrobacterium tumefaciens gall у корня Carya illinoensis .

Бактерии, относящиеся к азотфиксирующим Rhizobia, представляют собой интересный случай конъюгации между царствами . [14] Например, индуцирующая опухоль (Ti) плазмида Agrobacterium и плазмида, индуцирующая корневую опухоль (Ri) A. rhizogenes, содержат гены, которые способны переноситься в клетки растений. Экспрессия этих генов эффективно преобразовывает растительные клетки в опин -продуцирующих заводов. Опины используются бактериями в качестве источников азота и энергии. Зараженные клетки образуют коронковый галл или опухоли корня . Таким образом, плазмиды Ti и Ri являются эндосимбионтами. бактерий, которые, в свою очередь, являются эндосимбионтами (или паразитами) зараженного растения.

Плазмиды Ti и Ri могут также передаваться между бактериями с использованием системы ( tra , или перенос, оперон ), которая отличается и не зависит от системы, используемой для передачи между царствами ( vir , или вирулентность , оперон). Такие передачи создают вирулентные штаммы из ранее невирулентных штаммов.

Приложения генной инженерии [ править ]

Конъюгация - удобный способ передачи генетического материала различным мишеням. В лабораториях сообщалось об успешном переносе от бактерий к дрожжам, [15] растениям, клеткам млекопитающих, [16] [17] диатомовым [18] и изолированным митохондриям млекопитающих . [19] Конъюгация имеет преимущества по сравнению с другими формами генетического переноса, включая минимальное нарушение клеточной оболочки- мишени и способность передавать относительно большие количества генетического материала (см. Выше обсуждение переноса хромосомы E. coli ). В растениеводстве Agrobacterium-подобная конъюгация дополняет другие стандартные носители, такие как вирус табачной мозаики (TMV). Хотя TMV способен инфицировать многие семейства растений, это в первую очередь двудольные травянистые растения . Конъюгация, подобная Agrobacterium , также в основном используется для двудольных, но реципиенты однодольных не редкость.

См. Также [ править ]

  • Половое спряжение у водорослей и инфузорий
  • Трансфекция
  • Тройное спаривание
  • Зиготическая индукция

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Холмс Р.К., Джоблинг М.Г. (1996). «Генетика». В Baron S et al. (ред.). Генетика: спряжение. в: Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Univ Техасского медицинского отделения. ISBN 0-9631172-1-1.
  2. ^ Доктор TSRamarao M.sc, Ph.D. (1991). Бакалавр ботаники-Том-1 .
  3. ^ a b Гриффитс AJF; и другие. (1999). Введение в генетический анализ (7-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5.
  4. ^ a b Райан KJ, Рэй CG, ред. (2004). Шеррис Медицинская микробиология (4-е изд.). Макгроу Хилл. С. 60–4. ISBN 978-0-8385-8529-0.
  5. ^ Holmes RK, Джоблинг MG (1996). «Генетика». В Baron S et al. (ред.). Генетика: обмен генетической информацией. в: Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Univ Техасского медицинского отделения. ISBN 978-0-9631172-1-2.
  6. ^ a b Gratia JP, Thiry M (сентябрь 2003 г.). «Спонтанный зигогенез у Escherichia coli, форма истинной сексуальности у прокариот». Микробиология (чтение, англ.) . 149 (Pt 9): 2571–84. DOI : 10.1099 / mic.0.26348-0 . PMID 12949181 . 
  7. ^ a b c d Gray TA, Krywy JA, Harold J, Palumbo MJ, Derbyshire KM (июль 2013 г.). «Дистрибутивный конъюгальный перенос у микобактерий приводит к образованию потомства с мозаицизмом по всему геному, подобным мейотическому, что позволяет картировать локус идентичности спаривания» . PLOS Biol . 11 (7): e1001602. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1001602 . PMC 3706393 . PMID 23874149 .  
  8. ^ a b c d Дербишир К.М., Грей Т.А. (2014). «Дистрибутивный супружеский перенос: новый взгляд на горизонтальный перенос генов и генетический обмен у микобактерий» . Microbiol Spectr . 2 (1): 61–79. DOI : 10.1128 / microbiolspec.MGM2-0022-2013 . PMC 4259119 . PMID 25505644 .  
  9. ^ Ледерберг J Татум EL (1946). «Генная рекомбинация в E. coli ». Природа . 158 (4016): 558. Bibcode : 1946Natur.158..558L . DOI : 10.1038 / 158558a0 . PMID 21001945 . S2CID 1826960 .  
  10. ^ Лухан С.А., Guogas Л.М., Ragonese H, Мэтсон SW, Рединбо MR (2007). «Нарушение распространения устойчивости к антибиотикам путем ингибирования конъюгативной релаксазы ДНК» . PNAS . 104 (30): 12282–7. Bibcode : 2007PNAS..10412282L . DOI : 10.1073 / pnas.0702760104 . JSTOR 25436291 . PMC 1916 486 . PMID 17630285 .   
  11. ^ «Генетический обмен» . www.microbiologybook.org . Проверено 4 декабря 2017 .
  12. ^ Гриффитс, Энтони JF; Миллер, Джеффри Х .; Судзуки, Дэвид Т .; Левонтин, Ричард С .; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Бактериальная конъюгация» . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ Michod RE Бернштейн H, Nedelcu AM (2008). «Адаптивное значение пола у микробных патогенов» (PDF) . Заразить Genet Evol . 8 (3): 267–285. DOI : 10.1016 / j.meegid.2008.01.002 . PMID 18295550 .  
  14. ^ Pan SQ, Jin S, бултон М.И., Хоуз М, Гордон М.П., Нестер EW (июль 1995). «Фактор вирулентности Agrobacterium, кодируемый плазмидным геном Ti или хромосомным геном, необходим для переноса Т-ДНК в растения». Мол. Microbiol . 17 (2): 259–69. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.1995.mmi_17020259.x . PMID 7494475 . S2CID 38483513 .  
  15. ^ Heinemann JA, Спрэг GF (июль 1989). «Бактериальные конъюгативные плазмиды мобилизуют перенос ДНК между бактериями и дрожжами». Природа . 340 (6230): 205–9. Bibcode : 1989Natur.340..205H . DOI : 10.1038 / 340205a0 . PMID 2666856 . S2CID 4351266 .  
  16. ^ Куник Т, Т Tzfira, Kapulnik Y, Гафни Y, Дингуолл С, Citovsky В (февраль 2001 г.). «Генетическая трансформация клеток HeLa с помощью Agrobacterium» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 98 (4): 1871–6. Bibcode : 2001PNAS ... 98.1871K . DOI : 10.1073 / pnas.041327598 . PMC 29349 . PMID 11172043 .  
  17. ↑ Waters VL (декабрь 2001 г.). «Конъюгация между клетками бактерий и млекопитающих». Nat. Genet . 29 (4): 375–6. DOI : 10.1038 / ng779 . PMID 11726922 . S2CID 27160 .  
  18. ^ Карас, Богумил Дж .; Diner, Рэйчел Э .; Lefebvre, Stephane C .; Маккуэйд, Джефф; Филлипс, Алекс PR; Кивает, Чари М .; Брансон, Джон К .; Valas, Ruben E .; Деринк, Томас Дж. (21 апреля 2015 г.). «Дизайнерские эписомы диатомей, доставленные путем бактериальной конъюгации» . Nature Communications . 6 : 6925. Bibcode : 2015NatCo ... 6.6925K . DOI : 10.1038 / ncomms7925 . ISSN 2041-1723 . PMC 4411287 . PMID 25897682 .   
  19. ^ Yoon YG, Кооб MD (2005). «Трансформация изолированных митохондрий млекопитающих путем бактериальной конъюгации» . Nucleic Acids Res . 33 (16): e139. DOI : 10.1093 / NAR / gni140 . PMC 1201378 . PMID 16157861 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Бактериальная конъюгация (Flash-анимация)