Бактериална конюгация: дефиниция, механизъм, плазмиди и значение

Бактериалната конюгация е прехвърляне на генетичен материал между бактериални клетки чрез пряк контакт между клетките или чрез подобна на мост връзка между две клетки. Това е активен процес, който изисква специализирани молекулярни комплекси и обикновено пренася плазмиди или други мобилни елементи от една клетка в друга.

Конюгацията е механизъм за хоризонтален трансфер на гени, както и трансформацията и трансдукцията, въпреки че тези два други механизма не включват контакт между клетките. За разлика от вертикалния трансфер (преминаване на гени от родител на потомство), хоризонталният трансфер позволява бързо разпространение на функции между несвързани щамове и видове.

Бактериалната конюгация е открита от носителите на Нобелова награда Джошуа Ледерберг и Едуард Татум. Те показват, че бактерията Escherichia coli навлиза в сексуална фаза, по време на която може да споделя генетична информация. Тези експерименти от средата на XX век показаха, че бактерии могат да обменят наследствена информация чрез директен контакт и да придобиват нови фенотипи.

Бактериалната конюгация често неправилно се разглежда като еквивалент на половото размножаване, тъй като включва обмен на генетичен материал. По време на конюгацията клетката донор предоставя конюгативен или мобилизируем генетичен елемент, който най-често е плазмид или транспозон. Повечето конюгативни плазмиди имат системи, гарантиращи, че клетката-реципиент вече не съдържа подобен елемент.

Прехвърлената генетична информация често е полезна за получателя. Ползите могат да включват антибиотична резистентност, толерантност към ксенобиотици или способност за използване на нови метаболити. Такива полезни плазмиди могат да се считат за бактериални ендосимбионти. Други елементи обаче могат да се разглеждат като бактериални паразити, а конюгацията - като механизъм, развит от тях, за да позволи разпространението им.

Механизъм на конюгация

Основните стъпки в процеса на бактериална конюгация са:

• Разпознаване и контакт: Донорът образува физически контакт с реципиента чрез конюгативна пили (sex pilus) или чрез други повърхностни протеинови комплекси.
• Образуване на стабилен мост: След прикрепване се формира конюгационен мост или секреторен канал (често чрез система тип IV), по който ще премине генетичният материал.
• Разрязване при oriT и образуване на едноверижна молекула: Специален ензим (релаксаза) разрязва една верига на двуверижната ДНК в origin of transfer (oriT) и свързва релаксазата с 5'-края на отделената верига.
• Трансфер и репликация: Едноверижната ДНК се транспортира в реципиента, докато в донорната клетка се възстановява загубената верига чрез ролингово кръгово копиране (rolling-circle replication). В реципиента пристигналата едноверижна ДНК се превръща в двуверижна посредством репликация и наследяващите функции се проявяват.

Видове донорни и реципиентни ситуации

• F-плазмид (F фактор): В E. coli класическият F (fertility) плазмид кодира всички tra гени (transfer), които позволяват образуването на пили и извършване на конюгация. Клетките, които притежават F-плазмид, се означават като F+ (донори), а тези без него като F− (реципиенти).
• Hfr клетки: Ако F-плазмидът се интегрира в хромозомата на клетката чрез рекомбинация, се получава Hfr (high frequency recombination) линия. Hfr донорите могат да пренасят хромозомен фрагмент към реципиентите при конюгация, което води до рекомбинационни промени в генома на получателя.
• F' плазмиди: Някои интегрирани F фактори се ексцизират неправилно и изнасят част от хромозомния геном, образувайки F' плазмиди, които след това могат да пренасят тези генетични участъци между клетки.
• Мобилизируеми и немобилни плазмиди: Някои плазмиди нямат пълния комплект tra гени, но носят oriT и mob гени и могат да бъдат мобилизирани от конюгативен плазмид в същата клетка.
• Интегритивни конюгативни елементи (ICEs) и конюгативни транспозони: Това са мобилни елементи, които могат да се интегрират в хромозомата и да се пренасят чрез конюгация, а след това да се реинтегрират в генома на реципиента.

Биологично и клинично значение

Конюгацията има голямо значение за еволюцията, екологията и медицината:

• Разпространение на антибиотична резистентност: Конюгативните плазмиди често носят гени за резистентност към антибиотици и могат бързо да се разпространяват в популации, особено в болнична среда. Това е основен механизъм за появата на мултирезистентни патогени.
• Придобиване на вирулентни фактори: Плазмиди и мобилни острови могат да пренасят токсини, адхезини и други фактори, които увеличават патогенността на бактерии.
• Метаболитна адаптация: Конюгацията позволява придобиване на гени за разграждане на нови субстрати, детоксикация на ксенобиотици и оцеляване в специфични ниши.
• Еволюционна роля: Хоризонталният трансфер значително ускорява еволюцията на бактериите, като позволява бързо комбиниране на полезни гени и адаптиране към променящи се условия.
• Екологични последици: В околната среда, почвата, водите и микробиомите конюгацията допринася за динамичния обмен на гени между разнообразни бактериални видове.

Как се изследва и как може да се ограничи

Изследванията на конюгацията използват лабораторни "mating" експерименти, плазмидно типизиране, секвениране и молекулярни техники за проследяване на oriT, tra и mob гени. Честотата на конюгация се измерва като брой трансформанти спрямо броя на клетките-реципиенти.

За ограничаване на негативните ефекти (особено свързани с антибиотичната резистентност) се прилагат стратегии като:

• антибиотична политика и отговорна употреба (stewardship);
• контрол на инфекциите и дезинфекция в здравни заведения;
• мониторинг на плазмиди и резистентни гени в клинични и екологични проби;
• изследване на алтернативни подходи като фагова терапия или инхибитори на плазмидната конюгация, които блокират ключови компоненти от трансферния механизъм.

В резюме, бактериалната конюгация е мощен механизъм за разпространение на генетична информация в бактериалните популации с широки последици за екологията, еволюцията и общественото здраве. Разбирането на молекулярните детайли на конюгацията е ключово за проследяване и ограничаване на нежеланите ефекти, като разпространение на резистентност към антибиотици, и за използване на този процес в биотехнологията.

Механизъм

Основният конюгативен плазмид е F-плазмидът или F-факторът. F-плазмидът е епизом (плазмид, който може да се интегрира в бактериалната хромозома) с дължина около 100 000 базови двойки.

В дадена бактерия може да има само едно копие на F-плазмида, свободно или интегрирано, и бактериите, които притежават копие, се наричат F-позитивни или F-плюс (обозначени с F ⁺). Клетките, които не притежават F-плазмиди, се наричат F-отрицателни или F-минус (обозначени с F ^-) и могат да функционират като реципиентни клетки.

Схематичен чертеж на бактериалната конюгация. Схема на конюгацията 1- Клетката донор произвежда пилос. 2- Пилусът се прикрепя към клетката-реципиент и съединява двете клетки. 3- Подвижният плазмид се нарязва и след това една верига ДНК се прехвърля в клетката-реципиент. 4- Двете клетки синтезират комплементарна верига, за да се получи двуверижен кръгов плазмид и също така да се възпроизведат пили; и двете клетки вече са жизнеспособни донори.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява бактериалната конюгация?

В: Кои са другите механизми на хоризонталния трансфер на гени?

В: Кой открива бактериалната конюгация?

В: Какво показват Ледерберг и Татум за Escherichia coli по време на конюгацията?

В: Какво осигурява клетката донор по време на конюгацията?

В: Какви са ползите от генетичната информация, прехвърлена по време на конюгацията?

В: Как могат да се разглеждат някои елементи, пренесени по време на конюгацията?

Търсене по буква