Бактериальная конъюгация - Bacterial conjugation

Бактериальная конъюгация передача генетического материала между бактериальные клетки посредством прямого межклеточного контакта или мостикового соединения между двумя клетками.[1] Это происходит через пилус.[2] Это парасексуальный способ размножения бактерий.

Это механизм горизонтальный перенос генов так же как и трансформация и трансдукция хотя эти два других механизма не связаны с межклеточным контактом.[3]

Классический Кишечная палочка бактериальная конъюгация часто рассматривается как бактериальный эквивалент половое размножение или же вязка поскольку это предполагает обмен генетическим материалом. Однако это не половое размножение, поскольку обмена гамет не происходит, да и вообще нет. создание нового организма: вместо этого существующий организм трансформируется. Во время классической Кишечная палочка сопряжение донор клетка обеспечивает конъюгативный или мобилизуемый генетический элемент, который чаще всего является плазмида или же транспозон.[4] Большинство конъюгативных плазмид имеют системы, обеспечивающие получатель ячейка еще не содержит подобный элемент.

Передаваемая генетическая информация часто приносит пользу получателю. Преимущества могут включать устойчивость к антибиотикам, ксенобиотик толерантность или умение использовать новые метаболиты.[5] Другие элементы могут быть вредными и могут рассматриваться как бактериальные. паразиты.

Спряжение в кишечная палочка спонтанным зигогенезом[6] И в Микобактерии смегматис распределительной супружеской передачей[7][8] отличаются от более изученных классических Кишечная палочка конъюгация в том смысле, что эти случаи включают существенное смешение родительских геномы.

История

Процесс был обнаружен Джошуа Ледерберг и Эдвард Татум[9] в 1946 г.

Механизм

Схематический рисунок бактериальной конъюгации.

Диаграмма сопряжения

  1. Донорская клетка производит пилус.
  2. Пилус прикрепляется к клетке-реципиенту и объединяет две клетки.
  3. Подвижная плазмида разрывается, и затем одиночная цепь ДНК переносится в реципиентную клетку.
  4. Обе клетки синтезируют комплементарную цепь для получения двухцепочечной кольцевой плазмиды, а также воспроизводят пили; обе клетки теперь являются жизнеспособными донорами F-фактора.[1]

В F-плазмида является эписома (плазмида, которая может интегрироваться в бактериальный хромосома к гомологичная рекомбинация ) длиной около 100 kb. Он несет в себе начало репликации, то oriV, и происхождение перевода, или ОРИТ.[4] В данной бактерии может быть только одна копия F-плазмиды, свободная или интегрированная, и бактерии, обладающие такой копией, называются F-положительный или же F-plus (обозначается F+). Клетки, в которых отсутствуют плазмиды F, называются F-отрицательный или же F-минус (F−) и как таковые могут функционировать как клетки-получатели.

Помимо другой генетической информации, F-плазмида несет тра и trb локус, которые вместе имеют длину около 33 КБ и состоят из около 40 гены. В тра локус включает пилин ген и регуляторные гены, которые вместе образуют пили на поверхности клетки. Локус также включает гены белки которые прикрепляются к поверхности F− бактерии и инициируют конъюгацию. Хотя есть некоторые споры о точном механизме конъюгации, похоже, что пили не являются структурами, через которые происходит обмен ДНК. Это было показано в экспериментах, в которых пилусам позволяют контактировать, но затем они денатурированный с SDS и все же трансформация ДНК все еще продолжается. Несколько белков, закодированных в тра или же trb locus, по-видимому, открывает канал между бактериями, и считается, что фермент traD, расположенный в основании пилуса, инициирует слияние мембран.

Когда конъюгация инициируется сигналом, релаксаза фермент создает Ник в одной из цепей конъюгативной плазмиды на ОРИТ. Релаксаза может работать самостоятельно или в комплексе из более чем десятка белков, известных под общим названием релаксосома. В системе F-плазмиды фермент релаксазы называется TraI, а релаксосома состоит из TraI, TraY, TraM и интегрированного фактора хозяина IHF. Надрезанная прядь, или Т-образная прядь, затем разматывается с неразрывной цепи и переносится в реципиентную клетку в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Оставшаяся цепь реплицируется независимо от конъюгативного действия (вегетативная репликация начинается с oriV) или совместно с конъюгацией (конъюгативная репликация, аналогичная катящийся круг воспроизведение лямбда-фаг ). Для конъюгативной репликации может потребоваться второй ник, прежде чем произойдет успешный перенос. В недавнем отчете утверждается, что он ингибировал конъюгацию с химическими веществами, которые имитируют промежуточный этап этого второго события пощипывания.[10]

1. инсерционные последовательности (желтый) на обоих Фактор F плазмида и хромосома имеют сходные последовательности, что позволяет фактору F вставлять себя в геном ячейки. Это называется гомологичная рекомбинация и создает ячейку Hfr (высокая частота рекомбинации). 2. Клетка Hfr образует пилус и прикрепляется к F-клетке-реципиенту. 3. В одной из нитей хромосомы клетки Hfr образуется разрыв. 4. ДНК начинает передаваться от клетки Hfr к клетке-реципиенту, в то время как вторая цепь ее хромосомы реплицируется. 5. пилус отделяется от реципиентной клетки и втягивается. Клетка Hfr в идеале хочет передать весь свой геном клетке-реципиенту. Однако из-за своего большого размера и невозможности поддерживать контакт с клеткой-получателем он не может этого сделать. 6.a. F-клетка остается F-, потому что вся последовательность фактора F не была получена. Поскольку не произошло гомологичной рекомбинации, перенесенная ДНК разрушается ферментами.[11] б. В очень редких случаях фактор F будет полностью передан, и F-клетка станет клеткой Hfr.[12]

Если переносимая F-плазмида была ранее интегрирована в геном донора (продуцируя штамм Hfr [«Высокая частота рекомбинации»]), часть хромосомной ДНК донора также может быть перенесена с плазмидной ДНК.[3] Количество передаваемой хромосомной ДНК зависит от того, как долго две конъюгированные бактерии остаются в контакте. В обычных лабораторных штаммах Кишечная палочка перенос всей бактериальной хромосомы занимает около 100 минут. Затем перенесенная ДНК может быть интегрирована в геном реципиента через гомологичная рекомбинация.

Культура клеток, которая содержит в своей популяции клетки с неинтегрированными F-плазмидами, обычно также содержит несколько клеток, которые случайно интегрировали свои плазмиды. Именно эти клетки ответственны за низкочастотный перенос хромосомных генов, происходящий в таких культурах. Некоторые штаммы бактерий с интегрированной F-плазмидой можно выделить и выращивать в чистой культуре. Поскольку такие штаммы очень эффективно переносят хромосомные гены, их называют Hfr (часкайф жтребование рэкомбинация). В Кишечная палочка геном был первоначально картирован в ходе экспериментов по прерванному спариванию, в которых различные клетки Hfr в процессе конъюгации были оторваны от реципиентов менее чем через 100 минут (первоначально с использованием блендера Waring). Затем были исследованы переданные гены.

Поскольку интеграция F-плазмиды в Кишечная палочка хромосома - редкое спонтанное явление, и, поскольку многочисленные гены, способствующие переносу ДНК, находятся в геноме плазмиды, а не в геноме бактерий, утверждалось, что конъюгативный перенос бактериальных генов, как это происходит в Кишечная палочка Система Hfr не является эволюционной адаптацией бактериального хозяина и, вероятно, не является наследницей эукариотического пола.[13]

Спонтанный зигогенез в Кишечная палочка

В дополнение к классической бактериальной конъюгации, описанной выше для Кишечная палочка, форма конъюгации, называемая спонтанным зигогенезом (сокращенно Z-спаривание), наблюдается у некоторых штаммов Кишечная палочка.[6] При Z-спаривании происходит полное генетическое смешение и нестабильное диплоиды образуются, которые отбрасывают фенотипически гаплоидные клетки, некоторые из которых показывают родительские фенотип и некоторые верны рекомбинанты.

Конъюгальный перенос микобактерий

Спряжение в Микобактерии смегматис, как спряжение в Кишечная палочка, требует стабильного и продолжительного контакта между донором и штаммом-реципиентом, устойчив к ДНКазе, а перенесенная ДНК встраивается в хромосому реципиента путем гомологичной рекомбинации. Однако в отличие от Кишечная палочка Конъюгация Hfr, микобактериальная конъюгация основана на хромосоме, а не плазмиде.[7][8] Кроме того, в отличие от Кишечная палочка Конъюгация Hfr, в М. смегматис все участки хромосомы переносятся с сопоставимой эффективностью. Длина донорских сегментов сильно различается, но средняя длина составляет 44,2 КБ. Поскольку в среднем переносится 13 участков, среднее количество перенесенной ДНК на геном составляет 575 КБ.[8] Этот процесс называется «распределительный супружеский перенос».[7][8] Gray et al.[7] обнаружили существенное смешение родительских геномов в результате конъюгации и считали, что это смешение напоминает то, что наблюдается в мейотических продуктах полового размножения.

Передача между королевствами

Agrobacterium tumefaciens желчь в корне Carya illinoensis.

Бактерии, относящиеся к фиксация азота Ризобия представляют собой интересный случай меж-Королевство спряжение.[14] Например, индуцирующая опухоль (Ti) плазмида Агробактерии и плазмида, индуцирующая корневую опухоль (Ri) A. rhizogenes содержат гены, которые способны передаваться в клетки растений. Экспрессия этих генов эффективно превращает растительные клетки в высказывать мнение -производящие заводы. Опины используются бактериями как источники азота и энергии. Форма инфицированных клеток коронный галл или же опухоли корня. Таким образом, плазмиды Ti и Ri являются эндосимбионты бактерий, которые, в свою очередь, являются эндосимбионтами (или паразитами) зараженного растения.

Плазмиды Ti и Ri также могут передаваться между бактериями с помощью системы ( тра, или же передача, оперон ), которая отличается и не зависит от системы, используемой для передачи между королевствами ( Вир, или же вирулентность, оперон). Такие передачи создают вирулентные штаммы из ранее невирулентных штаммов.

Приложения генной инженерии

Спряжение - удобное средство для передача генетического материала к множеству целей. В лабораториях сообщалось об успешном переносе бактерий в дрожжи,[15] растения, клетки млекопитающих,[16][17] диатомеи[18] и изолированные млекопитающие митохондрии.[19] Конъюгация имеет преимущества по сравнению с другими формами генетической передачи, включая минимальное нарушение целевого сотовый конверт и способность передавать относительно большие объемы генетического материала (см. выше обсуждение Кишечная палочка перенос хромосомы). В машиностроении Агробактерии-подобное сопряжение дополняет другие стандартные средства передвижения, такие как вирус табачной мозаики (TMV). Хотя TMV может инфицировать многие семейства растений, это в первую очередь травянистый двудольные. Агробактерии-подобное спряжение также в основном используется для двудольных, но однодольные получатели не редкость.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Холмс РК, Джоблинг М.Г. (1996). «Генетика». В Baron S et al. (ред.). Генетика: спряжение. в: Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Univ Техасского медицинского отделения. ISBN  0-9631172-1-1.
  2. ^ Доктор Т.С. Рамарао, магистр, доктор философии (1991). Бакалавр Ботаника-Том-1.
  3. ^ а б Griffiths AJF; и другие. (1999). Введение в генетический анализ (7-е изд.). Сан-Франциско: W.H. Фримен. ISBN  978-0-7167-3520-5.
  4. ^ а б Райан К.Дж., Рэй К.Г., ред. (2004). Шеррис Медицинская микробиология (4-е изд.). Макгроу Хилл. С. 60–4. ISBN  978-0-8385-8529-0.
  5. ^ Холмс РК, Джоблинг М.Г. (1996). «Генетика». В Baron S et al. (ред.). Генетика: обмен генетической информацией. в: Медицинская микробиология Барона (4-е изд.). Univ Техасского медицинского отделения. ISBN  978-0-9631172-1-2.
  6. ^ а б Gratia JP, Thiry M (сентябрь 2003 г.). «Спонтанный зигогенез у Escherichia coli, форма истинной сексуальности у прокариот». Микробиология (чтение, англ.). 149 (Pt 9): 2571–84. Дои:10.1099 / мик. 0.26348-0. PMID  12949181.
  7. ^ а б c d Gray TA, Krywy JA, Harold J, Palumbo MJ, Derbyshire KM (июль 2013 г.). «Распределительный конъюгальный перенос в микобактериях приводит к образованию потомства с мозаицизмом по всему геному, подобным мейотическому, что позволяет картировать локус идентичности спаривания». ПЛОС Биол. 11 (7): e1001602. Дои:10.1371 / journal.pbio.1001602. ЧВК  3706393. PMID  23874149.
  8. ^ а б c d Дербишир К.М., Грей Т.А. (2014). «Распределительный супружеский перенос: новые взгляды на горизонтальный перенос генов и генетический обмен у микобактерий». Микробиол Спектр. 2 (1): 61–79. Дои:10.1128 / microbiolspec.MGM2-0022-2013. ЧВК  4259119. PMID  25505644.
  9. ^ Ледерберг Дж, Татум Е.Л. (1946). "Генная рекомбинация в Кишечная палочка". Природа. 158 (4016): 558. Bibcode:1946 г., природа.158..558L. Дои:10.1038 / 158558a0. PMID  21001945. S2CID  1826960.
  10. ^ Lujan SA, Guogas LM, Ragonese H, Matson SW, Redinbo MR (2007). «Нарушение распространения устойчивости к антибиотикам путем ингибирования конъюгативной релаксазы ДНК». PNAS. 104 (30): 12282–7. Bibcode:2007ПНАС..10412282Л. Дои:10.1073 / pnas.0702760104. JSTOR  25436291. ЧВК  1916486. PMID  17630285.
  11. ^ «Генетический обмен». www.microbiologybook.org. Получено 2017-12-04.
  12. ^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф.; Миллер, Джеффри Х .; Судзуки, Дэвид Т .; Левонтин, Ричард С .; Гелбарт, Уильям М. (2000). «Бактериальная конъюгация». Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  13. ^ Мичод Р. Э., Бернштейн Х, Неделку А. М. (2008). «Адаптивное значение секса у микробных возбудителей» (PDF). Заразить Genet Evol. 8 (3): 267–285. Дои:10.1016 / j.meegid.2008.01.002. PMID  18295550.
  14. ^ Pan SQ, Jin S, Boulton MI, Hawes M, Gordon MP, Nester EW (июль 1995 г.). «Фактор вирулентности Agrobacterium, кодируемый плазмидным геном Ti или хромосомным геном, необходим для переноса Т-ДНК в растения». Мол. Микробиол. 17 (2): 259–69. Дои:10.1111 / j.1365-2958.1995.mmi_17020259.x. PMID  7494475.
  15. ^ Heinemann JA, Sprague GF (июль 1989 г.). «Бактериальные конъюгативные плазмиды мобилизуют перенос ДНК между бактериями и дрожжами». Природа. 340 (6230): 205–9. Bibcode:1989Натура. 340..205H. Дои:10.1038 / 340205a0. PMID  2666856. S2CID  4351266.
  16. ^ Куник Т., Цфира Т., Капульник Ю., Гафни Ю., Дингуолл С., Цитовский В. (февраль 2001 г.). «Генетическая трансформация клеток HeLa с помощью Agrobacterium». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 98 (4): 1871–6. Bibcode:2001PNAS ... 98.1871K. Дои:10.1073 / pnas.041327598. ЧВК  29349. PMID  11172043.
  17. ^ Уотерс В.Л. (декабрь 2001 г.). «Конъюгация между клетками бактерий и млекопитающих». Nat. Genet. 29 (4): 375–6. Дои:10,1038 / ng779. PMID  11726922. S2CID  27160.
  18. ^ Карас, Богумил Дж .; Diner, Рэйчел Э .; Lefebvre, Stephane C .; Маккуэйд, Джефф; Филлипс, Алекс П.Р .; Кивает, Чари М .; Брансон, Джон К .; Valas, Ruben E .; Деринк, Томас Дж. (21 апреля 2015 г.). «Дизайнерские эписомы диатомовых водорослей, полученные путем бактериальной конъюгации». Nature Communications. 6: 6925. Bibcode:2015 НатКо ... 6,69 25 тыс.. Дои:10.1038 / ncomms7925. ISSN  2041-1723. ЧВК  4411287. PMID  25897682.
  19. ^ Юн Ю.Г., Кооб Мэриленд (2005). «Трансформация изолированных митохондрий млекопитающих путем бактериальной конъюгации». Нуклеиновые кислоты Res. 33 (16): e139. Дои:10.1093 / нар / gni140. ЧВК  1201378. PMID  16157861.

внешняя ссылка