Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из Competence (биология) )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Естественная компетентность.
1-ДНК бактериальной клетки
2-Плазмиды бактериальной клетки
3-Половые пили
4-Плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки
5-Рестрикционный фермент бактериальной клетки
6-Незваная чужеродная плазмида
7-ДНК-лигаза
I: плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки перехватывается половыми пилями естественно компетентной бактериальной клетки.
II: Чужеродная плазмида трансдуцируется через половые пили в бактериальную клетку, где она обрабатывается рестриктирующими ферментами бактериальных клеток. Ферменты рестрикции разбивают чужеродную плазмиду на цепь нуклеотидов, которая может быть добавлена ​​к бактериальной ДНК.
III: ДНК-лигаза интегрирует чужеродные нуклеотиды в ДНК бактериальной клетки.
IV:Рекомбинация завершена, и чужеродная ДНК интегрировалась в ДНК исходной бактериальной клетки и продолжит быть ее частью, когда бактериальная клетка будет реплицироваться в следующий раз.

В области микробиологии , генетики , клеточной биологии и молекулярной биологии , компетентность является способность клетки , чтобы изменить его генетику, поднимая внеклеточной ( «обнаженный») ДНК из окружающей среды в процессе , называемом преобразованием . Компетенция может быть дифференцирована между естественной компетенцией , генетически заданной способностью бактерий, которая, как считается, возникает в естественных условиях, а также в лаборатории, и индуцированной или искусственной компетенцией., который возникает, когда клетки в лабораторных культурах обрабатываются, чтобы сделать их временно проницаемыми для ДНК. Компетенция позволяет быстро адаптироваться и восстановить ДНК клетки. Эта статья в первую очередь касается естественной компетентности у бактерий, хотя также предоставляется информация об искусственной компетентности.

История [ править ]

Природная компетентность была открыта Фредериком Гриффитом в 1928 году, когда он показал, что препарат убитых клеток патогенной бактерии содержит что-то, что может трансформировать родственные непатогенные клетки в патогенный тип. В 1944 году Освальд Эйвери , Колин Маклауд и Маклин Маккарти продемонстрировали, что этим «трансформирующим фактором» является чистая ДНК [1] . Это было первое убедительное доказательство того, что ДНК несет генетическую информацию клетки.

С тех пор естественная компетентность была изучена у ряда различных бактерий, в частности у Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae («пневмококк» Гриффита), Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae и представителей рода Acinetobacter . Области активных исследований включают механизмы транспорта ДНК, регуляцию компетентности у различных бактерий и эволюционную функцию компетентности.

Механизмы захвата ДНК [ править ]

В лаборатории исследователь предоставляет ДНК, часто в виде генно-инженерного фрагмента или плазмиды . Во время поглощения ДНК транспортируется через клеточную мембрану (мембраны) и клеточную стенку, если таковая имеется. Как только ДНК попадает в клетку, она может расщепляться до нуклеотидов , которые повторно используются для репликации ДНК и других метаболических функций. В качестве альтернативы он может быть рекомбинирован в геном клетки с помощью ферментов репарации ДНК . Если эта рекомбинация изменяет генотип клеткиговорят, что клетка трансформировалась. Искусственная компетентность и трансформация используются в качестве инструментов исследования у многих организмов ( см. Трансформация (генетика) ). [2]

Почти во всех естественно компетентных бактерий компонентов внеклеточного нитей , называемых типа IV фимбрии (тип бахромки ) связывают внеклеточного двухцепочечной ДНК. Затем ДНК перемещается через мембрану (или мембраны для грамотрицательных бактерий) через многокомпонентные белковые комплексы, управляемые деградацией одной цепи ДНК. Одноцепочечная ДНК в клетке связана с хорошо законсервированным белком, DprA, который загружает ДНК в RecA , который опосредует гомологичную рекомбинацию через классический путь репарации ДНК . [3]

Регламент компетенции [ править ]

В лабораторных культурах естественная компетентность обычно строго регулируется и часто вызывается нехваткой питательных веществ или неблагоприятными условиями. Однако специфические индуцирующие сигналы и регуляторные механизмы гораздо более изменчивы, чем механизмы поглощения, и мало что известно о регуляции компетентности в естественной среде этих бактерий. [4] Были обнаружены факторы транскрипции , которые регулируют компетентность; примером является sxy (также известный как tfoX), который, как было обнаружено, в свою очередь регулируется 5'-некодирующим элементом РНК . [5] У бактерий, способных образовывать споры.условия, вызывающие споруляцию, часто перекрываются с условиями, вызывающими компетентность. Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки. Недавнее исследование Süel et al. идентифицировал возбудимый основной модуль генов, который может объяснить вход в компетенцию и выход из нее, если принять во внимание клеточный шум . [6]

Считается, что наиболее компетентные бактерии поглощают все молекулы ДНК с примерно равной эффективностью, но бактерии из семейств Neisseriaceae и Pasteurellaceae предпочтительно захватывают фрагменты ДНК, содержащие короткие последовательности ДНК , называемые последовательностью захвата ДНК (DUS) у Neisseriaceae и сигнальной последовательностью захвата (USS). у Pasteurellaceae, которые очень часто встречаются в их собственных геномах. Геномы Neisseria содержат тысячи копий предпочтительной последовательности GCCGTCTGAA, а геномы пастерелловых содержат либо AAGTGCGGT, либо ACAAGCGGT. [2] [7]

Эволюционные функции и последствия компетенции [ править ]

Большинство предложений, касающихся первичной эволюционной функции естественной компетентности как части естественной бактериальной трансформации, делятся на три категории: (1) селективное преимущество генетического разнообразия; (2) поглощение ДНК как источника нуклеотидов (ДНК как «пища»); и (3) селективное преимущество новой цепи ДНК, способствующей гомологичной рекомбинационной репарации поврежденной ДНК (репарация ДНК). Было высказано и вторичное предположение, в котором отмечается случайное преимущество горизонтального переноса генов .

Гипотеза генетического разнообразия [ править ]

Аргументы в пользу генетического разнообразия как основной эволюционной функции пола (включая бактериальную трансформацию) приводятся Бартоном и Чарльзуортом. [8] и Отто и Герштейн. [9] Однако теоретические трудности, связанные с эволюцией пола, предполагают, что секс для генетического разнообразия проблематичен. В частности, что касается бактериальной трансформации, компетентность требует высокой стоимости глобального переключателя синтеза белка, например, более 16 генов, которые включаются только во время компетентности Streptococcus pneumoniae . [10]Однако, поскольку бактерии имеют тенденцию расти клонами, ДНК, доступная для трансформации, обычно будет иметь тот же генотип, что и клетки-реципиенты. Таким образом, экспрессия белка всегда связана с высокими затратами без увеличения разнообразия в целом. Другие различия между компетенцией и полом были рассмотрены в моделях эволюции генов, обуславливающих компетенцию; Эти модели показали, что постулируемые рекомбинационные преимущества компетентности были даже более неуловимыми, чем преимущества секса. [11]

Гипотеза ДНК как пищи [ править ]

Вторая гипотеза, ДНК как пища, основана на том факте, что клетки, которые поглощают ДНК, неизбежно приобретают нуклеотиды, из которых состоит ДНК, и, поскольку нуклеотиды необходимы для синтеза ДНК и РНК и дороги для синтеза, они могут внести значительный вклад. к энергетическому бюджету клетки. [12] Некоторые природно компетентные бактерии также выделяют нуклеазы в окружающую среду, и все бактерии могут поглощать свободные нуклеотиды, которые эти нуклеазы генерируют из окружающей ДНК. [13]Энергетика поглощения ДНК не изучена ни в одной системе, поэтому трудно сравнить эффективность секреции нуклеазы с эффективностью поглощения ДНК и внутренней деградации. В принципе, стоимость производства нуклеаз и неопределенность извлечения нуклеотидов должны быть сбалансированы с энергией, необходимой для синтеза механизма поглощения и втягивания ДНК. Другими важными факторами являются вероятность того, что нуклеазы и компетентные клетки столкнутся с молекулами ДНК, относительная неэффективность захвата нуклеотидов из окружающей среды и из периплазмы (где одна цепь разрушается компетентными клетками), а также преимущества получения готовых к использованию нуклеотидных монофосфатов из другой цепи в цитоплазме. Еще один усложняющий фактор - это смещение системы захвата ДНК у видов в семействе.Pasteurellaceae и род Neisseria , которые могут отражать либо отбор по рекомбинации, либо по механически эффективному захвату. [14] [15]

Гипотеза восстановления повреждений ДНК [ править ]

У бактерий проблема повреждения ДНК наиболее ярко проявляется в периоды стресса, особенно окислительного стресса, который возникает в условиях скученности или голода. В таких условиях часто присутствует только одна хромосома. Открытие того, что некоторые бактерии вызывают компетентность в таких стрессовых условиях, подтверждает третью гипотезу, что существует трансформация, позволяющая восстановить ДНК. В экспериментальных тестах бактериальные клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих их ДНК, а затем подвергшиеся трансформации, выживали лучше, чем клетки, подвергшиеся повреждению ДНК, которые не подвергались трансформации (Hoelzer and Michod, 1991). [16] Кроме того, способность подвергаться трансформации часто индуцируется известными повреждающими ДНК агентами (обзор Michod et al ., 2008 и Bernstein et al.., 2012). [17] [18] Таким образом, сильным краткосрочным селективным преимуществом для естественной компетентности и трансформации будет его способность способствовать гомологичной рекомбинационной репарации ДНК в условиях стресса. Такие стрессовые состояния могут возникнуть во время бактериальной инфекции восприимчивого хозяина. В соответствии с этой идеей Li et al. [19] сообщили, что среди различных высокотрансформируемых изолятов S. pneumoniae приспособленность к носовой колонизации и вирулентность (инфекционность легких) зависят от сохранности системы компетентности.

Контраргумент был основан на отчете Редфилда 1993 года, который обнаружил, что одноцепочечные и двухцепочечные повреждения хромосомной ДНК не вызывают и не повышают компетентность или трансформацию у B. subtilis или H.influenzae , предполагая, что отбор для репарации сыграл решающую роль. небольшая роль или ее отсутствие в развитии компетентности у этих видов [20]

Однако более свежие данные показывают, что способность к трансформации действительно специфически индуцируется условиями повреждения ДНК. Например, Claverys et al . в 2006 году [21] показали, что повреждающие ДНК агенты митомицин С (агент сшивания ДНК) и фторхинолон (ингибитор топоизомеразы, вызывающий двухцепочечные разрывы) индуцируют трансформацию Streptococcus pneumoniae . Кроме того, Engelmoer и Rozen [22] в 2011 году продемонстрировали, что трансформация S. pneumoniae защищает от бактерицидного действия митомицина C. Индукция компетентности дополнительно защищает от антибиотиков каномицина и стрептомицина. [21] [22]Хотя эти аминогликозидные антибиотики ранее считались не повреждающими ДНК, недавние исследования, проведенные в 2012 году Foti et al . [23] показали, что значительная часть их бактерицидной активности является результатом высвобождения гидроксильного радикала и индукции повреждений ДНК, включая двухцепочечные разрывы.

Dorer et al . [24] в 2010 году показали, что ципрофлоксацин, который взаимодействует с ДНК-гиразой и вызывает образование двухцепочечных разрывов, индуцирует экспрессию генов компетентности в Helicobacter pylori , что приводит к усилению трансформации. В 2011 году исследования Legionella pneumophila , Charpentier et al . [25] протестировали 64 токсичных молекулы, чтобы определить, какие из них вызывают компетентность. Только шесть из этих молекул, все агенты, повреждающие ДНК, сильно индуцировали компетентность. Эти молекулы представляли собой норфлоксацин , офлоксацин и налидиксовую кислоту (ингибиторы ДНК-гиразы, которые вызывают двухцепочечные разрывы).[26] ), митомицин C (который производит межцепочечные поперечные связи), бицикломицин (вызывает одно- и двухцепочечные разрывы [27] ) и гидроксимочевину (вызывает окисление оснований ДНК [28] ). Charpentier et al . [25] также показали, что УФ-облучение индуцирует компетентность L. pneumophila, и далее предположили, что способность к трансформации возникла как ответ на повреждение ДНК.

Горизонтальный перенос генов [ править ]

Долгосрочное преимущество может иногда предоставляться случайными случаями горизонтального переноса генов, также называемого латеральным переносом генов (который может быть результатом негомологичной рекомбинации после индукции компетентности), что может обеспечить устойчивость к антибиотикам или другие преимущества.

Независимо от природы отбора на компетентность, сложная природа бактериальных геномов предоставляет множество доказательств того, что горизонтальный перенос генов, вызванный компетентностью, способствует генетическому разнообразию, которое делает возможной эволюцию.

См. Также [ править ]

  • Трансформация (генетика)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Avery OT, Маклеод CM, МакКарти M (1944). "Исследования химической природы вещества, вызывающего трансформацию пневмококковых типов" . J. Exp. Med . 79 (2): 137–58. DOI : 10,1084 / jem.79.2.137 . PMC  2135445 . PMID  19871359 .
  2. ^ а б Чен I, Дубнау Д. (2004). «Поглощение ДНК при бактериальной трансформации». Nat. Rev. Microbiol . 2 (3): 241–9. DOI : 10.1038 / nrmicro844 . PMID 15083159 . S2CID 205499369 .  
  3. ^ Джонстон С, Мартин Б, Г Fichant, Polard Р, Claverys J (2014). «Бактериальная трансформация: распространение, общие механизмы и дивергентный контроль». Nat. Rev. Microbiol . 12 (3): 181–96. DOI : 10.1038 / nrmicro3199 . PMID 24509783 . S2CID 23559881 .  
  4. ^ Соломон Дж. М., Гроссман А. Д. (1996). «Кто и когда компетентен: регуляция естественной генетической компетентности бактерий». Тенденции Genet . 12 (4): 150–5. DOI : 10.1016 / 0168-9525 (96) 10014-7 . PMID 8901420 . 
  5. ^ Редфилд RJ (сентябрь 1991). «sxy-1, мутация Haemophilus influenzae, приводящая к значительному усилению спонтанной компетентности» . J. Bacteriol . 173 (18): 5612–8. DOI : 10.1128 / jb.173.18.5612-5618.1991 . PMC 208288 . PMID 1653215 .  
  6. ^ Суэл GM, Гарсия-Ojalvo J, Либерман LM, Elowitz MB (2006). «Цепь регуляции возбудимого гена вызывает временную клеточную дифференцировку» (PDF) . Природа . 440 (7083): 545–50. Bibcode : 2006Natur.440..545S . DOI : 10,1038 / природа04588 . PMID 16554821 . S2CID 4327745 .   
  7. ^ Финдли, Вашингтон; Редфилд, RJ (2009). «Коэволюция последовательностей захвата ДНК и бактериальных протеомов» . Геномная биология и эволюция . 1 : 45–55. DOI : 10.1093 / GbE / evp005 . PMC 2817400 . PMID 20333176 .  
  8. ^ Barton NH, Чарльзуорт B (1998). «Почему секс и рекомбинация?». Наука . 281 (5385): 1986–1990. DOI : 10.1126 / science.281.5385.1986 . PMID 9748151 . 
  9. Перейти ↑ Otto SP, Gerstein AC (август 2006 г.). «Зачем заниматься сексом? Популяционная генетика пола и рекомбинации». Biochem Soc Trans . 34 (Pt 4): 519–522. DOI : 10.1042 / BST0340519 . PMID 16856849 . 
  10. ^ Петерсон S, Клайн RT, Tettelin Н, Шарова В, Моррисон Д. (ноябрь 2000 г.). «Анализ экспрессии генов регулонов компетенции Streptococcus pneumoniae с использованием микрочипов ДНК» . J. Bacteriol . 182 (21): 6192–6202. DOI : 10.1128 / JB.182.21.6192-6202.2000 . PMC 94756 . PMID 11029442 .  
  11. Перейти ↑ Redfield R (1988). «Разве секс с мертвыми клетками лучше, чем полное отсутствие секса?» . Генетика . 119 (1): 213–21. DOI : 10.1093 / генетика / 119.1.213 . PMC 1203342 . PMID 3396864 .  
  12. ^ Редфилд RJ (2001). "У бактерий есть половые контакты?" . Nat. Преподобный Жене . 2 (8): 634–9. DOI : 10.1038 / 35084593 . PMID 11483988 . S2CID 5465846 .  
  13. ^ Dubnau D (1999). «Поглощение ДНК в бактериях». Annu Rev Microbiol . 53 (1): 217–44. DOI : 10.1146 / annurev.micro.53.1.217 . PMID 10547691 . 
  14. ^ Моэн H (2010). «Последовательности захвата бактериальной ДНК могут накапливаться только за счет молекулярной энергии» . Генетика . 186 (2): 613–27. DOI : 10.1534 / genetics.110.119438 . PMC 2954483 . PMID 20628039 .  
  15. ^ Редфилд R, Schrag М, Мертвый А (1997). «Эволюция бактериальной трансформации: секс с бедными родственниками» . Генетика . 146 (1): 27–38. DOI : 10.1093 / генетика / 146.1.27 . PMC 1207942 . PMID 9135998 .  
  16. ^ Hoelzer М.А., Michod RE (1991). «Ремонт ДНК и эволюция трансформации в Bacillus subtilis . III. Секс с поврежденной ДНК» . Генетика . 128 (2): 215–23. DOI : 10.1093 / генетика / 128.2.215 . PMC 1204460 . PMID 1906416 .  
  17. ^ Michod RE Бернштейн H, Nedelcu AM (2008). «Адаптивное значение секса у микробных возбудителей». Заразить Genet Evol . 8 (3): 267–85. DOI : 10.1016 / j.meegid.2008.01.002 . PMID 18295550 .  http://www.hummingbirds.arizona.edu/Faculty/Michod/Downloads/IGE%20review%20sex.pdf
  18. ^ Бернштейн, Харрис; Кэрол Бернштейн; Ричард Э. Мичод (2012). «Глава 1 - Восстановление ДНК как основная адаптивная функция пола у бактерий и эукариот». Ремонт ДНК: новое исследование . Издательство NOVA. С. 1–50. ISBN 978-1-62100-756-2. Архивировано из оригинала на 2013-10-29 . Проверено 13 апреля 2012 . https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=31918
  19. ^ Ли Г, Лян З, Ван X, Ян Y, Шао З, Ли М, Ма Y, Ку Ф, Моррисон Д. А., Чжан Дж. Р. (2016). «Зависимость гипертрансформируемых пневмококковых изолятов к естественной трансформации для пригодности и вирулентности in vivo» . Заразить. Иммун . 84 (6): 1887–901. DOI : 10.1128 / IAI.00097-16 . PMC 4907133 . PMID 27068094 .  
  20. Перейти ↑ Redfield R (1993). «Эволюция естественной трансформации: проверка гипотезы репарации ДНК у Bacillus subtilis и Haemophilus influenzae » . Генетика . 133 (4): 755–61. DOI : 10.1093 / генетика / 133.4.755 . PMC 1205397 . PMID 8462839 .  
  21. ^ a b Клэверис, JP; Прюдомм, М; Мартин, Б. (2006). «Индукция регулонов компетенции как общий ответ на стресс у грамположительных бактерий». Annu Rev Microbiol . 60 (1): 451–475. DOI : 10.1146 / annurev.micro.60.080805.142139 . PMID 16771651 . 
  22. ^ а б Энгельмоер, диджей; Розен, Д.Е. (2011). «Компетентность увеличивает выживаемость во время стресса у Streptococcus pneumoniae » . Эволюция . 65 (12): 3475–3485. DOI : 10.1111 / j.1558-5646.2011.01402.x . PMID 22133219 . 
  23. ^ Фоти, JJ; Девадосс, B; Winkler, JA; Коллинз, JJ; Уокер, GC (2012). «Окисление пула гуаниновых нуклеотидов лежит в основе гибели клеток бактерицидными антибиотиками» . Наука . 336 (6079): 315–319. Bibcode : 2012Sci ... 336..315F . DOI : 10.1126 / science.1219192 . PMC 3357493 . PMID 22517853 .  
  24. ^ Dorer, MS; Феро, Дж; Салама, Н.Р. (2010). «Повреждение ДНК запускает генетический обмен в Helicobacter pylori » . PLOS Pathog . 6 (7): e1001026. DOI : 10.1371 / journal.ppat.1001026 . PMC 2912397 . PMID 20686662 .  
  25. ^ а б Шарпантье, X; Кей, Э; Шнайдер, Д; Шуман, HA (2011). «Антибиотики и УФ-излучение способствуют естественной трансформации Legionella pneumophila » . J Bacteriol . 193 (5): 1114–1121. DOI : 10.1128 / JB.01146-10 . PMC 3067580 . PMID 21169481 .  
  26. ^ Альбертини, S; Chételat, AA; Миллер, Б; Muster, Вт; Pujadas, E; Штробель, Р; Гок, Э (1995). «Генотоксичность 17 гиразы и четырех ядов топоизомеразы млекопитающих II в прокариотических и эукариотических тест-системах». Мутагенез . 10 (4): 343–351. DOI : 10.1093 / mutage / 10.4.343 . PMID 7476271 . 
  27. ^ Washburn, RS; Готтесман, ME (2011). «Прерывание транскрипции поддерживает целостность хромосомы» . Proc Natl Acad Sci USA . 108 (2): 792–7. Bibcode : 2011PNAS..108..792W . DOI : 10.1073 / pnas.1009564108 . PMC 3021005 . PMID 21183718 .  
  28. ^ Сакано, K; Оикава, S; Hasegawa, K; Каваниши, S (2001). «Гидроксимочевина вызывает сайт-специфическое повреждение ДНК за счет образования перекиси водорода и оксида азота» . Jpn J Cancer Res . 92 (11): 1166–1174. DOI : 10.1111 / j.1349-7006.2001.tb02136.x . PMC 5926660 . PMID 11714440 .