Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Сравнение типичной инфекции и трансдукции фага (бактериофага) ( A ) с типичной продукцией и трансдукцией GTA (агента переноса гена) ( B ).

Агенты переноса генов ( GTA ) представляют собой ДНК-содержащие вирусоподобные частицы, которые продуцируются некоторыми бактериями и археями и опосредуют горизонтальный перенос генов . Различные типы GTA произошли независимо от вирусов в нескольких бактериальных и архейных линиях. Эти клетки производят частицы GTA, содержащие короткие сегменты ДНК, присутствующей в клетке. После того, как частицы высвобождаются из клетки-продуцента, они могут прикрепляться к родственным клеткам и вводить свою ДНК в цитоплазму. Затем ДНК может стать частью генома клетки-реципиента. [1] [2] [3] [4]

Открытие агентов переноса генов [ править ]

Схематическое изображение анализов GTA.
Методы обнаружения агентов переноса генов. ( A ) Метод, использованный Marrs в 1974 году. ( B ) Метод бесклеточной экстракции.

Первая система GTA была открыта в 1974 году, когда смешанные культуры штаммов Rhodobacter capsulatus произвели высокую частоту клеток с новыми комбинациями генов. [5] Ответственный фактор отличался от известных механизмов передачи генов тем, что он не зависел от контакта с клеткой, нечувствителен к дезоксинуклеазе и не был связан с продуцированием фагов. Из-за предполагаемой функции он был назван агентом переноса генов (GTA, теперь RcGTA). Совсем недавно были обнаружены другие системы агентов переноса генов путем инкубации фильтрованной (бесклеточной) культуральной среды с генетически отличным штаммом. [3]

Гены и эволюция GTA [ править ]

Схематические диаграммы типичных кластеров генов профага и GTA.
Типичные кластеры генов профага и GTA.
Схематическая диаграмма филогенетических отношений между известными бактериальными агентами переноса генов.
Схематическая диаграмма эволюционных сил, которые действуют на бактериальный агент переноса генов и клетки, которые его производят.
Эволюционные силы, действующие на бактериальный агент переноса генов и клетки, которые его производят.

Гены, определяющие GTA, происходят из ДНК бактериофага (фага), интегрированной в хромосому хозяина. Такие профагичасто приобретают мутации, которые делают их дефектными и неспособными производить фаговые частицы. Многие бактериальные геномы содержат один или несколько дефектных профагов, которые претерпели более или менее обширные мутации и делеции. Агенты переноса генов, такие как дефектные профаги, возникают в результате мутации профагов, но они сохраняют функциональные гены головных и хвостовых компонентов фаговой частицы (структурные гены) и гены упаковки ДНК. Гены фага, определяющие его регуляцию и репликацию ДНК, обычно удаляются, а экспрессия кластера структурных генов находится под контролем клеточных регуляторных систем. Дополнительные гены, которые способствуют производству или поглощению GTA, обычно присутствуют в других местах хромосомы. Некоторые из них выполняют регулирующие функции, а другие вносят непосредственный вклад в производство GTA (например, гены лизиса, происходящие от фага) или захват и рекомбинация ( например, производство капсулы на поверхности клетки и белков транспорта ДНК). Эти гены, связанные с GTA, часто находятся под координированной регуляцией с основным кластером генов GTA. [6]   Белки клеточного лизиса, производные фага (холин и эндолизин), затем ослабляют клеточную стенку и мембрану, позволяя клетке разорваться и высвободить частицы GTA. Количество частиц GTA, производимых каждой ячейкой, неизвестно.

Некоторые системы GTA, кажется, являются недавним дополнением к геномам их хозяев, но другие поддерживались в течение многих миллионов лет. Если были проведены исследования дивергенции последовательностей (анализ dN / dS), они показывают, что гены поддерживаются естественным отбором для функции белка (т.е. дефектные версии удаляются). [7] [8]

Однако природа этого выбора не ясна. Хотя первооткрыватели GTA предположили, что перенос генов был функцией частиц, предполагаемые преимущества переноса генов обходятся населению дорого. Большая часть этих затрат возникает из-за того, что клетки, продуцирующие GTA, должны лизироваться (взрываться), чтобы высвободить свои частицы GTA, но существуют также генетические затраты, связанные с созданием новых комбинаций генов, потому что большинство новых комбинаций обычно менее подходят, чем исходная комбинация. [9]    Одно из альтернативных объяснений состоит в том, что гены GTA сохраняются, потому что GTA являются генетическими паразитами, которые инфекционно распространяются в новые клетки. Однако это исключено, потому что частицы GTA обычно слишком малы, чтобы содержать гены, которые их кодируют. Например, основной кластер RcGTA (см. Ниже) имеет длину 14 т.п.н., но частицы RcGTA могут содержать только 4–5 т.п.н. ДНК.   

Большинство бактерий не проверялось на присутствие GTA, и многие другие системы GTA могут ждать открытия. Хотя исследования на основе ДНК для генов, связанных с GTA, обнаружили гомологи во многих геномах, но интерпретация затруднена из-за сложности отличить гены, кодирующие GTA, от обычных генов профагов. [7]  [8]

Производство GTA [ править ]

Схематическая диаграмма, показывающая этапы производства бактериальных агентов переноса генов.
Типичные этапы производства бактериальных агентов переноса генов. ( 1 ) Транскрипция и трансляция генов GTA. ( 2 ) Сборка структурных белков GTA в пустые головы и несвязанные хвосты. ( 3 ) Упаковка «головных» сегментов ДНК в головы и прикрепление хвостов. ( 4 ) Лизис клетки.

В лабораторных культурах продукция GTA обычно максимизируется за счет определенных условий роста, которые индуцируют транскрипцию генов GTA; большинство GTA не индуцируются повреждающими ДНК обработками, которые индуцируют многие профаги. Даже в условиях максимальной индукции только небольшая часть культуры продуцирует GTA, обычно менее 1%. [10] [11]

Этапы производства GTA основаны на фаговой инфекции. Структурные гены сначала транскрибируются и транслируются, а белки собираются в пустые головы и несвязанные хвосты. Затем оборудование для упаковки ДНК упаковывает ДНК в каждую головку, разрезая ДНК, когда голова заполнена, прикрепляет хвост к голове, а затем перемещает вновь созданный конец ДНК на новую пустую головку. В отличие от генов профагов, гены, кодирующие GTA, не вырезаются из генома и реплицируются для упаковки в частицы GTA. Два наиболее изученных GTA (RcGTA и BaGTA) случайным образом упаковывают всю ДНК в клетке без чрезмерного представительства генов, кодирующих GTA. [10] [12] Число частиц GTA, производимых каждой клеткой, неизвестно.

GTA-опосредованная трансдукция [ править ]

Генетическая трансдукция бактериальными агентами переноса генов. ( 1 ) Частицы GTA попадают в подходящую ячейку-реципиент. ( 2 ) Частицы прикрепляются к клетке и вводят свою ДНК, а клеточные белки перемещают ДНК через внутреннюю мембрану. ( 3 ) ДНК разрушается, если она не может рекомбинировать с геномом реципиента. ( 4 ) ДНК с последовательностями, аналогичными геному реципиента, подвергается рекомбинации.

Приведет ли высвобождение частиц GTA к переносу ДНК в новые геномы, зависит от нескольких факторов. Во-первых, частицы должны выжить в окружающей среде - об этом мало что известно, хотя сообщается, что частицы весьма нестабильны в лабораторных условиях. [13] Во-вторых, частицы должны встречаться и прикрепляться к подходящим клеткам-реципиентам, обычно членам того же или близкородственного вида. Подобно фагам, GTA прикрепляются к определенным белковым или углеводным структурам на поверхности клетки-реципиента перед инъекцией своей ДНК. В отличие от фага, хорошо изученные GTA, по-видимому, вводят свою ДНК только через первую из двух мембран, окружающих цитоплазму реципиента, и они используют другую систему - компетенцию.-производные, а не фаговые, для транспортировки одной цепи двухцепочечной ДНК через внутреннюю мембрану в цитоплазму. [14] [15]

Если механизм рекомбинационной репарации клетки обнаруживает хромосомную последовательность, очень похожую на входящую ДНК, он заменяет первую на вторую путем гомологичной рекомбинации, опосредованной клеточным белком RecA . Если последовательности не идентичны, это даст клетку с новой генетической комбинацией. Однако, если входящая ДНК не тесно связана с последовательностями ДНК в клетке, она будет деградирована, и клетка будет повторно использовать свои нуклеотиды для репликации ДНК.

Конкретные системы GTA [ править ]

RcGTA ( Rhodobacter capsulatus ) [ править ]

Диаграмма регуляции для RcGTA, агента переноса гена Rhodobacter capsulatus

GTA, продуцируемая alphaproteobacterium Rhodobacter capsulatus , названная R. capsulatus GTA (RcGTA), в настоящее время является наиболее изученной GTA. Когда лабораторные культуры R. capsulatus входят в стационарную фазу, часть бактериальной популяции индуцирует продукцию RcGTA, и частицы впоследствии высвобождаются из клеток посредством лизиса клеток . [11] Большинство структурных генов RcGTA кодируются в генетическом кластере размером ~ 15 т.п.н. на бактериальной хромосоме. Однако другие гены, необходимые для функции RcGTA, такие как гены, необходимые для лизиса клеток, расположены отдельно. [2] [16] Частицы RcGTA содержат фрагменты ДНК размером 4,5 т.п.н., с равномерным представлением всей хромосомы, за исключением 2-кратного падения в месте кластера генов RcGTA. 

Регуляция продукции и трансдукции GTA была лучше всего изучена у R. capsulatus , где система контроля кворума и CtrA-фосфорелеи контролируют экспрессию не только основного кластера генов RcGTA, но также системы лизиса клеток холина / эндолизина, шипов на головках частиц. , белок прикрепления (возможно, хвостовые волокна), а также гены капсулы и процессинга ДНК, необходимые для функции реципиента RcGTA. Неописанный случайный процесс дополнительно ограничивает экспрессию кластера генов до 0,1-3% клеток.  

RcGTA-подобные кластеры обнаруживаются в большом субкладе альфа-протеобактерий, хотя гены также, по-видимому, часто теряются в результате делеции. Недавно было продемонстрировано , что несколько членов отряда Rhodobacterales продуцируют функциональные RcGTA-подобные частицы. Группы генов, гомологичных RcGTA, присутствуют в хромосомах различных типов альфа-протеобактерий. [7]

DsGTA ( Dinoroseobacter shibae ) [ править ]

D. shibae , как и R. capsulatus , является членом Ордена Rhodobacterales, и его GTA имеет общего предка и многие особенности с RcGTA, включая организацию генов, упаковку коротких фрагментов ДНК (4,2 т.п.н.) и регулирование с помощью определения кворума и CtrA-фосфореле. [17]   Однако его механизм упаковки ДНК гораздо более специфичен, с резкими пиками и впадинами покрытия, предполагающими, что он может предпочтительно инициировать упаковку в определенных участках генома. ДНК основного кластера генов DsGTA упакована очень плохо.   

BaGTA ( виды Bartonella ) [ править ]

Виды Bartonella являются членами Alphaproteobacteria, такими как R. capsulatus и D. shibae , но BaGTA не связана с RcGTA и DsGTA. [18]  Частицы BaGTA больше, чем RcGTA, и содержат фрагменты ДНК размером 14 т.п.н. Хотя эта емкость в принципе может позволить BaGTA упаковать и передать свой кластер GTA 14 кб, измерения покрытия ДНК показывают снижение покрытия кластера. Считается, что соседняя область с высоким охватом связана с локальной репликацией ДНК. [12]

ВШ-1 (Brachyspira hyodysenteriae) [ править ]

Брахиспира - род спирохет; Было показано, что несколько видов несут гомологичные кластеры генов GTA. Частицы содержат фрагменты ДНК размером 7,5 т.п.н. Производство VSH-1 стимулируется повреждающим ДНК агентом митомицином С и некоторыми антибиотиками. Это также связано с детектируемым лизисом клеток, что указывает на то, что значительная часть культуры может продуцировать VSH-1. [19]

Dd1 (Desulfovibriondesulfuricans) [ править ]

D. desulfuricans - почвенная бактерия, входящая в состав дельтапротеобактерий; Dd1 упаковывает фрагменты ДНК размером 13,6 т.п.н.

VTA (Methanococcus voltae) [ править ]

M. voltae - архей; его GTA, как известно, переносит фрагменты ДНК размером 4,4 т.п.н., но иначе не охарактеризована. [20]

См. Также [ править ]

  • Агент генного переноса с высвобождением холина
  • Горизонтальный перенос генов

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Lang AS, Westbye AB, Beatty JT (сентябрь 2017 г.). «Распространение, эволюция и роли агентов переноса генов в прокариотическом генетическом обмене». Ежегодный обзор вирусологии . 4 (1): 87–104. DOI : 10.1146 / annurev-virology-101416-041624 . PMID  28784044 .
  2. ^ a b Ланг А.С., Жакыбаева О., Битти Дж. Т. (июнь 2012 г.). «Агенты переноса генов: фагоподобные элементы генетического обмена» . Обзоры природы. Микробиология . 10 (7): 472–82. DOI : 10.1038 / nrmicro2802 . PMC 3626599 . PMID 22683880 .  
  3. ^ a b Stanton TB (апрель 2007 г.). «Профагоподобные агенты переноса генов - новые механизмы обмена генов для видов Methanococcus, Desulfovibrio, Brachyspira и Rhodobacter». Анаэроб . 13 (2): 43–9. DOI : 10.1016 / j.anaerobe.2007.03.004 . PMID 17513139 . 
  4. ^ Грюлль MP, Маллиган ME, Lang AS (октябрь 2018). «Маленькие внеклеточные частицы с большим потенциалом для горизонтального переноса генов: мембранные везикулы и агенты переноса генов» . Письма о микробиологии FEMS . 365 (19). DOI : 10.1093 / femsle / fny192 . PMID 30085064 . 
  5. ^ Marrs B (март 1974 г.). «Генетическая рекомбинация в Rhodopseudomonas capsulata» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 71 (3): 971–3. DOI : 10.1073 / pnas.71.3.971 . PMC 388139 . PMID 4522805 .  
  6. ^ Westbye AB, Битти JT, Lang AS (август 2017). «Гарантия плененной аудитории: скоординированное регулирование производства агента переноса гена (GTA) и способности реципиента клеточными регуляторами». Текущее мнение в микробиологии . 38 : 122–129. DOI : 10.1016 / j.mib.2017.05.003 . PMID 28599143 . 
  7. ^ a b c Шакья М., Суси С.М., Жакыбаева О. (июль 2017 г.). «Понимание происхождения и эволюции агентов переноса генов α-протеобактерий» . Эволюция вирусов . 3 (2): vex036. DOI : 10,1093 / ве / vex036 . PMC 5721377 . PMID 29250433 .  
  8. ^ a b Tamarit D, Neuvonen MM, Engel P, Guy L, Andersson SG (февраль 2018 г.). «Происхождение и эволюция агента передачи гена Bartonella» . Молекулярная биология и эволюция . 35 (2): 451–464. DOI : 10.1093 / molbev / msx299 . PMID 29161442 . 
  9. ^ Редфилд RJ, Soucy SM (2018). «Эволюция бактериальных агентов переноса генов» . Границы микробиологии . 9 : 2527. DOI : 10,3389 / fmicb.2018.02527 . PMC 6209664 . PMID 30410473 .  
  10. ^ a b Hynes AP, Mercer RG, Watton DE, Buckley CB, Lang AS (июль 2012 г.). «Смещение упаковки ДНК и дифференциальная экспрессия генов агентов переноса генов в популяции во время производства и выпуска агента переноса генов Rhodobacter capsulatus, RcGTA» . Молекулярная микробиология . 85 (2): 314–25. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.2012.08113.x . PMID 22640804 . 
  11. ^ a b Fogg PC, Westbye AB, Beatty JT (2012). Банфилд Б.В. (ред.). «Один за всех или все за одного: гетерогенная экспрессия и лизис клетки-хозяина являются ключевыми для активности агента переноса генов у Rhodobacter capsulatus» . PLOS ONE . 7 (8): e43772. Bibcode : 2012PLoSO ... 743772F . DOI : 10.1371 / journal.pone.0043772 . PMC 3423380 . PMID 22916305 .  
  12. ^ a b Berglund EC, Frank AC, Calteau A, Vinnere Pettersson O, Granberg F, Eriksson AS, Näslund K, Holmberg M, Lindroos H, Andersson SG (июль 2009 г.). «Повторная репликация генов приспособляемости хозяина связана с агентами переноса генов в геноме Bartonella grahamii, заражающей мышей» . PLoS Genetics . 5 (7): e1000546. DOI : 10.1371 / journal.pgen.1000546 . PMC 2697382 . PMID 19578403 .  
  13. ^ Marrs, B .; Йена, HC; Солиоз, М. (1975-08-01). «Выпуск и поглощение агента переноса гена Rhodopseudomonas capsulata» . Журнал бактериологии . 123 (2): 651–657. ISSN 1098-5530 . PMC 235772 . PMID 1150627 .   
  14. ^ Brimacombe CA, Stevens A, D июня, Mercer R, Ланг А.С., Битти JT (февраль 2013 г. ). «Регуляция чувствительности кворума капсульного полисахаридного рецептора для агента переноса гена Rhodobacter capsulatus (RcGTA)» . Молекулярная микробиология . 87 (4): 802–17. DOI : 10.1111 / mmi.12132 . PMC 3641046 . PMID 23279213 .  
  15. ^ Brimacombe CA, Дин H, Johnson JA, Битти JT (август 2015). «Гомологи генов импорта ДНК генетической трансформации необходимы для способности получателя агента переноса гена Rhodobacter capsulatus, регулируемой регулятором ответа CtrA» . Журнал бактериологии . 197 (16): 2653–63. DOI : 10.1128 / JB.00332-15 . PMC 4507343 . PMID 26031909 .  
  16. ^ Westbye А.Б., Leung М.М., Florizone С.М., Тейлор Т., Джонсон JA, Фогг PC, Битти JT (ноябрь 2013). «Концентрация фосфата и предполагаемый протеин сенсорной киназы CckA модулируют лизис клеток и высвобождение агента переноса гена Rhodobacter capsulatus» . Журнал бактериологии . 195 (22): 5025–40. DOI : 10.1128 / JB.00669-13 . PMC 3811591 . PMID 23995641 .  
  17. ^ Томаша Дж, Ван Н, зал АТ, Patzelt Д, Preusse М, Петерсен Дж, Бринкман Н, двухъярусные В, Bhuju S, Ярек М, Geffers Р, Ланг С., Вагнер-Доблер I (январь 2018). «Упаковка ДНК Dinoroseobacter shibae в частицы агента переноса генов не является случайной» . Геномная биология и эволюция . 10 (1): 359–369. DOI : 10.1093 / GbE / evy005 . PMC 5786225 . PMID 29325123 .  
  18. ^ Québatte МЫ, Крестят М, Хармс А, Кёрнер Дж, Крестит В, С Dehio (июнь 2017 г.). «Агент переноса гена способствует эволюционированию в наиболее приспособленной субпопуляции бактериального патогена» . Клеточные системы . 4 (6): 611–621.e6. DOI : 10.1016 / j.cels.2017.05.011 . PMC 5496983 . PMID 28624614 .  
  19. ^ Motro Y, La T, Bellgard MI, Dunn DS, Phillips ND, Хампсон DJ (март 2009). «Идентификация генов, связанных с подобными профагам агентами переноса генов в патогенных кишечных спирохетах Brachyspira hyodysenteriae, Brachyspira pilosicoli и Brachyspira intermedia» . Ветеринарная микробиология . 134 (3–4): 340–5. DOI : 10.1016 / j.vetmic.2008.09.051 . PMID 18950961 . 
  20. ^ Бертани G (май 1999). «Трансдукционный перенос гена в метаногене Methanococcus voltae» . Журнал бактериологии . 181 (10): 2992–3002. PMC 93752 . PMID 10321998 .