ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ: МЕХАНИЗМЫ И ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2024

Горизонтальный перенос генов или боковой перенос генов является обмен генетическим материалом между организмами, который не происходит в семьях. Это событие происходит между людьми одного поколения и может происходить у одноклеточных или многоклеточных существ.

Горизонтальный перенос происходит посредством трех основных механизмов: конъюгации, трансформации и трансдукции. В первом типе возможен обмен длинными фрагментами ДНК, в то время как в двух последних передачах ограничивается небольшими сегментами генетического материала.

Бактерия. THG часто встречается у этих организмов. Источник pixabay.com

Противоположная концепция - это вертикальный перенос генов, когда генетическая информация передается от организма к его потомству. Этот процесс широко распространен у эукариот, таких как растения и животные. Напротив, у микроорганизмов часто встречается горизонтальный перенос.

У эукариот горизонтальный перенос встречается не так часто. Однако есть свидетельства обмена этим феноменом, включая предков людей, которые получили определенные гены через вирусы.

Что такое горизонтальный перенос генов?

Во время размножения эукариотические организмы передают свои гены от одного поколения своему потомству (детям) в процессе, известном как вертикальный перенос генов. Прокариоты также выполняют этот шаг, но посредством бесполого размножения посредством деления или других механизмов.

Однако у прокариот есть другой способ обмена генетическим материалом, называемый горизонтальным переносом генов. Здесь фрагменты ДНК обмениваются между организмами одного поколения и могут переходить от одного вида к другому.

Горизонтальный перенос довольно распространен среди бактерий. Возьмем, к примеру, гены, вызывающие устойчивость к антибиотикам. Эти важные фрагменты ДНК обычно передаются между бактериями разных видов.

Эти механизмы включают значительные медицинские осложнения при лечении инфекций.

Механизмы

Существует три основных механизма обмена ДНК посредством горизонтального переноса. Это конъюгация, трансформация и трансдукция.

Конъюгация

Перенос генов посредством конъюгации - единственный тип, который предполагает прямой контакт между двумя бактериями.

Однако его не следует сравнивать с обменом генами посредством полового размножения (при котором обычно происходит контакт между участвующими организмами), поскольку этот процесс сильно отличается. Среди основных отличий - отсутствие мейоза.

Во время конъюгации передача генетического материала от одной бактерии к другой происходит посредством физического контакта, установленного структурой, называемой пилями. Это работает как соединительный мост, где происходит обмен.

Хотя бактерии не дифференцируются по полу, организм, несущий небольшую кольцевую ДНК, известную как фактор F (фертильность f), известен как «мужской». Эти клетки являются донорами во время конъюгации, передавая материал другой клетке, в которой отсутствует фактор.

ДНК фактора F состоит примерно из 40 генов, которые контролируют репликацию полового фактора и синтез половых пилей.

Первое свидетельство процесса конъюгации было получено в экспериментах Ледерберга и Татума, но именно Бернард Дэвис, наконец, показал, что контакт необходим для передачи.

преобразование

Трансформация включает взятие «голой» молекулы ДНК, обнаруженной в среде, близкой к бактерии-хозяину. Этот фрагмент ДНК происходит от другой бактерии.

Процесс может осуществляться естественным путем, поскольку популяции бактерий обычно подвергаются трансформации. Аналогичным образом трансформация может быть смоделирована в лаборатории, чтобы заставить бактерии поглощать интересующую ДНК, обнаруженную снаружи.

Теоретически можно взять любой фрагмент ДНК. Однако было замечено, что в этом процессе участвуют небольшие молекулы.

Трансдукция

Наконец, механизм трансдукции происходит с помощью фага (вируса), который переносит ДНК от бактерии-донора к реципиенту. Как и в предыдущем случае, количество перенесенной ДНК относительно невелико, поскольку способность вируса переносить ДНК ограничена.

Обычно этот механизм ограничивается бактериями, которые филогенетически близки, поскольку вирус, несущий ДНК, должен связываться со специфическими рецепторами бактерий, чтобы ввести материал.

Примеры

Эндонуклеазы - это ферменты, которые обладают способностью разрывать фосфодиэфирные связи внутри полинуклеотидной цепи изнутри, поэтому они известны как «эндо». Эти ферменты нигде не режут, у них есть специальные сайты для этого, называемые сайтами рестрикции.

Аминокислотные последовательности ферментов EcoRI (в E. coli) и RSRI (в Rhodobacter sphaeroides) имеют последовательность из почти 300 аминокислотных остатков, которые идентичны друг другу на 50%, что ясно указывает на близкое эволюционное родство.

Однако, благодаря изучению других молекулярных и биохимических характеристик, эти две бактерии очень разные и очень мало связаны с филогенетической точки зрения.

Кроме того, ген, кодирующий фермент EcoRI, использует очень специфические кодоны, которые отличаются от кодонов, обычно используемых E. coli, поэтому есть подозрения, что ген произошел не от этой бактерии.

Горизонтальный перенос генов в эволюции

В 1859 году британский натуралист Чарльз Дарвин произвел революцию в биологических науках своей теорией эволюции посредством естественного отбора. В своей знаменитой книге «Происхождение видов» Дарвин предлагает метафору дерева жизни, чтобы проиллюстрировать генеалогические отношения между видами.

Сегодня филогении являются формальным представлением этой метафоры, где предполагается, что передача генетической информации происходит вертикально - от родителей к детям.

Мы можем без особых неудобств применить это видение к многоклеточным организмам, и мы получим разветвленную структуру, как предлагает Дарвин.

Однако такое представление ветвей без сращений трудно применить к микроорганизмам. При сравнении геномов разных прокариот становится ясно, что между клонами происходит обширный перенос генов.

Таким образом, модель взаимоотношений больше похожа на сеть, в которой ветви соединены и слиты вместе, благодаря преобладанию горизонтального переноса генов.

Ссылки

1. Гогартен, JP, и Таунсенд, JP (2005). Горизонтальный перенос генов, инновации и эволюция генома. Обзоры природы микробиологии, 3 (9), 679.
2. Килинг, П.Дж., и Палмер, Д.Д. (2008). Горизонтальный перенос генов в эволюции эукариот. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Пирс, BA (2009). Генетика: концептуальный подход. Panamerican Medical Ed.
4. Рассел П., Герц П. и Макмиллан Б. (2013). Биология: динамическая наука. Nelson Education.
5. Сумбали, Г., & Мехротра, Р.С. (2009). Принципы микробиологии. McGraw-Hill.
6. Сиванен, М., и Кадо, К.И. (2001). Горизонтальный перенос генов. Академическая пресса.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, и Case, CL (2007). Введение в микробиологию. Panamerican Medical Ed.