Естественная компетентность
В микробиологии , генетике , клеточной биологии и молекулярной биологии компетентность — это способность клетки изменять свою генетику, поглощая внеклеточную («голую») ДНК из окружающей среды в процессе, называемом трансформацией . Компетентность можно разделить на естественную компетентность , генетически обусловленную способность бактерий , которая, как считается, возникает в естественных условиях, а также в лаборатории, и индуцированную или искусственную компетентность ., который возникает, когда клетки в лабораторных культурах обрабатывают, чтобы сделать их временно проницаемыми для ДНК. Компетентность позволяет быстро адаптироваться и восстанавливать ДНК клетки. В этой статье в первую очередь рассматривается естественная компетентность бактерий, хотя также предоставляется информация об искусственной компетентности.
Естественная компетентность была открыта Фредериком Гриффитом в 1928 году, когда он показал, что препарат убитых клеток патогенной бактерии содержит нечто, что может трансформировать родственные непатогенные клетки в патогенные. В 1944 году Освальд Эйвери , Колин Маклауд и Маклин Маккарти продемонстрировали, что этот «трансформирующий фактор» представляет собой чистую 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 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.
В лаборатории ДНК предоставляется исследователем, 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 оказывается внутри клетки, 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 многих организмов ( см. Трансформация (генетика) ). [2]
Почти у всех естественно компетентных бактерий компоненты внеклеточных филаментов, называемые пили типа IV (тип фимбрии ), связывают внеклеточную двухцепочечную ДНК. Затем ДНК перемещается через мембрану (или через мембраны грамотрицательных бактерий) через многокомпонентные белковые комплексы, вызываемые деградацией одной цепи ДНК. Одноцепочечная ДНК в клетке связана хорошо консервативным белком DprA, который загружает ДНК на RecA , что обеспечивает гомологичную рекомбинацию посредством классического пути репарации ДНК . [3]
В лабораторных культурах естественная компетентность обычно жестко регулируется и часто вызывается нехваткой питательных веществ или неблагоприятными условиями. Однако специфические индуцирующие сигналы и механизмы регуляции гораздо более изменчивы, чем механизмы поглощения, и мало что известно о регуляции компетентности этих бактерий в естественной среде. [4] Были обнаружены транскрипционные факторы , регулирующие компетентность; примером является sxy (также известный как tfoX), который, как было обнаружено, регулируется, в свою очередь, 5'-некодирующим элементом РНК . [5] У бактерий, способных образовывать споры, условия, вызывающие споруляцию, часто совпадают с условиями, вызывающими компетентность. Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки. Недавнее исследование Süel et al. идентифицировали возбудимый основной модуль генов, который может объяснить вхождение в компетентность и выход из нее, если принять во внимание клеточный шум . [6]
1 – ДНК бактериальной клетки
2 – Плазмиды бактериальных клеток
3 – Половые пили
4 – Плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки
5 – Фермент рестрикции бактериальной клетки
6 – Развернутая чужеродная плазмида
7 – ДНК-лигаза
I: плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки перехватывается половыми пили естественно компетентной бактериальной клетки.
II: Чужеродная плазмида трансдуцируется через половые пили в бактериальную клетку, где она обрабатывается ферментами рестрикции бактериальной клетки. Рестриктазы расщепляют чужеродную плазмиду на цепочку нуклеотидов, которые можно добавить 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 будет продолжать оставаться ее частью, когда бактериальная клетка будет реплицироваться в следующий раз.