Хоризонтален трансфер на гени (HGT): дефиниция, механизми и значение
Открийте Хоризонтален трансфер на гени (HGT): дефиниция, механизми, видове и еволюционно и биотехнологично значение за генетиката и устойчивостта.
Хоризонтален трансфер на гени (HGT) (или латерален трансфер на гени) е процес, при който даден организъм получава генетичен материал от друг организъм, без да е потомък на този организъм. Това означава, че генетични фрагменти могат да „прескочат“ между несвързани таксони и да внесат нови функции в получаващия организъм.
За разлика от това, вертикалният трансфер се осъществява, когато организмът получава генетичен материал от своя предшественик, например родител или вид, от който е еволюирал. Вертикалният трансфер следва родословни линии, докато HGT може да промени генотипа и фенотипа по неочаквани начини.
Повечето мисли в генетиката са съсредоточени върху вертикалния трансфер, но все повече се осъзнава, че хоризонталният трансфер на гени е значимо явление. Сред едноклетъчните организми той може да бъде доминиращата форма на генетичен трансфер. Изкуственият хоризонтален трансфер на гени е форма на генно инженерство.
Механизми на HGT
- Трансформация — приемане и интегриране на свободна ДНК от околната среда. Някои бактерии имат "компетентност" да поемат ДНК и да я включват в хромозомата си или в плазмиди.
- Трансдукция — пренасяне на генетичен материал чрез бактериофаги (вируси, които заразяват бактерии). При лизогенен или лизисен цикъл фагите могат да пренесат фрагменти от генома на един гостоприемник към друг.
- Конюгация — директен пренос на ДНК чрез клетъчен контакт, обикновено посредством плазмиди или конюгационни елементи. Този механизъм често разпространява гени за устойчивост към антибиотици.
- Мобилни генетични елементи — плазмиди, транспонибили, интегони и интегативно-конюгационни елементи могат да придвижват гени между геноми и да улеснят HGT.
Значение и последствия
HGT има голямо биологично и екологично значение:
- Разпространение на устойчивост към антибиотици сред бактериите — един от най-важните медицински проблеми, тъй като гени за резистентност често се пренасят чрез плазмиди.
- Придобиване на нови метаболитни възможности — например разграждане на токсични съединения, фиксация на азот или синтеза на нови ензими.
- Бърза адаптация и еволюция в микробни общности — HGT може да промени екологичната ниша на организми за кратък период.
- Роля в еволюцията на еукариотите — потвърдени случаи на HGT има при гъби, растения и някои животни; теорията за ендосимбиозата (произход на митохондриите и хлоропластите) също включва масивни трансфери от бактериални предшественици.
Доказване и откриване на HGT
Методи за идентифициране на хоризонтален трансфер включват:
- Сравнителна геномика и филогенетичен анализ — откриване на несъответствия между филогенетичното дърво на даден ген и това на вида.
- Атипичен GC-състав или кодонен профил — геномни региони с различен нуклеотиден състав може да са придобити чрез HGT.
- Идентификация на геномни острови — райони, богати на мобилни елементи, свързани с патогенност или резистентност.
- Метагеномика и секвениране с висока пропускателна способност — позволява проследяване на гени между видове в екосистеми.
Примери и приложения
Някои известни примери и последици:
- Бързото разпространение на плазмидно-медиирана резистентност при болнични щамове.
- Пренасяне на гени за разграждане на нови субстрати между почвени бактерии.
- Използване на принципите на HGT в биотехнологията и генното инженерство — трансфер на полезни гени в организми за промишлени приложения, растителни подобрения или терапевтични методи.
Рискове и етични аспекти
Докато HGT е естествен процес, човешката намеса (например чрез ГМО или освобождаване на модифицирани организми) повдига въпроси за непредвидими екологични ефекти и безопасност. Контролът, мониторингът и етичните рамки са важни при прилагане на технологии, свързани с генетичен трансфер.
Къде се случва най-често
HGT е особено често при едноклетъчни организми — бактерии и археи — но се документират случаи и при еукариоти. В микробни биофилмове, почвени и водни микробни общности, където контактът между клетки и мобилните елементи е интензивен, честотата на HGT е особено висока.
В обобщение, хоризонталният трансфер на гени е ключов фактор за генетичната динамика на живота, с широко приложение и сериозни последици за медицина, екология и биотехнологии.
Механизъм
Съществуват няколко механизма за хоризонтален трансфер на гени:
- Трансформация - генетична промяна на клетка в резултат на въвеждане, приемане и експресия на чужд генетичен материал (ДНК или РНК). Този процес е сравнително често срещан при бактериите, но по-рядко при еукариотите. Трансформацията често се използва в лабораториите за вмъкване на нови гени в бактерии за експерименти или за промишлени или медицински приложения.
- Трансдукция - процес, при който бактериална ДНК се пренася от една бактерия в друга с помощта на бактериален вирус (бактериофаг или "фаг").
- Бактериална конюгация - процес, при който бактериална клетка предава генетичен материал на друга клетка чрез контакт между клетките.
- Агентът за пренос на гени или "GTA" е вирусоподобен елемент, който съдържа произволни части от хромозомата на гостоприемника. Те се срещат при повечето представители на алфапротеобактериите от разред Rhodobacterales. Те се кодират от генома на гостоприемника. GTA прехвърлят ДНК толкова често, че може да имат важна роля в еволюцията.
В доклад от 2010 г. се установява, че гените за антибиотична резистентност могат да бъдат пренасяни чрез конструиране на GTA в лаборатория. - Интегрони - бактериален "комплект" за пренасяне на генни касети.
История
Хоризонталният трансфер на гени е описан за първи път в Япония в публикация от 1959 г., в която се демонстрира прехвърлянето на антибиотична резистентност между различни видове бактерии.
В средата на 80-те години на миналия век Сиванен изказва предположението, че латералният трансфер на гени има не само биологично значение, но и участва в оформянето на еволюционната история от самото начало на живота на Земята.
"Проучванията на гените и геномите все по-често показват, че между прокариотите е имало значителен хоризонтален трансфер". Изглежда, че това явление е имало известно значение и за едноклетъчните еукариоти. Както отбелязват Bapteste и сътр. "допълнителните доказателства сочат, че трансферът на гени може да е важен еволюционен механизъм и в еволюцията на протистите".
Има данни, че са засегнати дори висши растения и животни. Ричардсън и Палмър (2007 г.) твърдят: "Хоризонталният трансфер на гени (HGT) е изиграл важна роля в бактериалната еволюция и е доста разпространен при някои едноклетъчни еукариоти. Разпространението и значението на HGT в еволюцията на многоклетъчните еукариоти обаче остава неясно".
Въпроси и отговори
В: Какво представлява хоризонталният трансфер на гени?
О: Хоризонталният трансфер на гени е процес, при който даден организъм придобива генетичен материал от друг организъм, който не е негово потомство.
В: По какво се различава хоризонталният трансфер на гени от вертикалния?
О: Вертикалният трансфер се осъществява, когато организмът получава генетичен материал от своя предшественик, докато хоризонталният трансфер на гени се осъществява, когато организмът придобива генетичен материал от друг организъм, който не е негово потомство.
Въпрос: Върху какво се съсредоточава по-голямата част от мисленето в областта на генетиката?
О: По-голямата част от разсъжденията в генетиката са съсредоточени върху вертикалния трансфер.
В: Защо хоризонталният трансфер на гени е значимо явление?
О: Хоризонталният трансфер на гени е значимо явление, защото сред едноклетъчните организми той може да бъде доминиращата форма на генетичен трансфер.
В: Какво представлява изкуственият хоризонтален трансфер на гени?
О: Изкуственият хоризонтален трансфер на гени е вид генно инженерство, което включва умишлено прехвърляне на генетичен материал от един организъм в друг.
В: Може ли да се осъществи хоризонтален трансфер на гени между организми от различни видове?
О: Да, хоризонтален трансфер на гени може да се осъществи между организми от различни видове.
В: При всички организми ли се наблюдава хоризонтален трансфер на гени?
О: Не, само при някои организми се наблюдава хоризонтален трансфер на гени, особено при едноклетъчните организми.
обискирам