GĒNU HORIZONTĀLĀ PĀRNEŠANA: MEHĀNISMI UN PIEMĒRI - BIOLOĢIJA - 2025

Horizontālā gēnu pārnese vai sānu gēnu pārnese ir ģenētiskā materiāla apmaiņa starp organismiem, kas nav sastopams ģimenes. Šis notikums notiek starp vienas paaudzes indivīdiem un var notikt vienšūnu vai daudzšūnu būtnēs.

Horizontālā pārnešana notiek, izmantojot trīs galvenos mehānismus: konjugāciju, pārveidošanu un transdukciju. Pirmajā tipā ir iespējama garu DNS fragmentu apmaiņa, savukārt divos pēdējos pārnešana notiek tikai uz nelieliem ģenētiskā materiāla segmentiem.

Baktērija. THG ir izplatīts šajos organismos. Avots pixabay.com

Pretējs jēdziens ir vertikāla gēnu pārnešana, kur ģenētiskā informācija no organisma pāriet pēcnācējiem. Šis process ir plaši izplatīts eikariotos, tāpat kā augos un dzīvniekos. Turpretī horizontālā pārnešana ir izplatīta mikroorganismos.

Eikariotos horizontālā pārnešana nav tik izplatīta. Tomēr ir pierādījumi par šīs parādības apmaiņu, ieskaitot cilvēku senčus, kuri noteiktus gēnus ieguva ar vīrusu palīdzību.

Kas ir horizontālā gēnu pārnešana?

Reprodukcijas laikā eikariotu organismi nodod savus gēnus no vienas paaudzes saviem pēcnācējiem (bērniem) procesā, ko sauc par vertikālu gēnu pārnesi. Prokarioti arī veic šo darbību, bet ar aseksuālu pavairošanu ar skaldīšanas vai citu mehānismu palīdzību.

Tomēr prokariotos ir vēl viens ģenētiskā materiāla apmaiņas veids, ko sauc par horizontālo gēnu pārnesi. Šeit DNS fragmenti tiek apmainīti starp vienas paaudzes organismiem un var pāriet no vienas sugas uz otru.

Starp baktērijām horizontālā pārnešana ir salīdzinoši izplatīta. Piemēram, gēni, kas izraisa rezistenci pret antibiotikām. Šie svarīgie DNS fragmenti parasti tiek pārnesti starp dažādu sugu baktērijām.

Ārstējot infekcijas, šie mehānismi ir saistīti ar ievērojamām medicīniskām komplikācijām.

Mehānismi

Pastāv trīs pamatmehānismi, ar kuriem DNS var apmainīties, veicot horizontālu pārsūtīšanu. Tās ir konjugācija, pārveidošana un transdukcija.

Konjugācija

Gēnu pārnešana ar konjugācijas palīdzību ir vienīgais veids, kas ietver tiešu kontaktu starp abām baktērijām.

Tomēr to nevajadzētu salīdzināt ar gēnu apmaiņu seksuālās reprodukcijas laikā (kur parasti notiek kontakti starp iesaistītajiem organismiem), jo process ir ļoti atšķirīgs. Starp galvenajām atšķirībām ir mejozes neesamība.

Konjugācijas laikā ģenētiskā materiāla pāreja no vienas baktērijas uz otru notiek ar fizisku kontaktu palīdzību, ko izveido struktūra, ko sauc par pili. Tas darbojas kā savienojošais tilts, kur notiek apmaiņa.

Kaut arī baktērijas netiek diferencētas dzimumos, organismu, kas nes nelielu apaļu DNS, kas pazīstams kā F faktors (auglība f), sauc par “vīriešu dzimumu”. Šīs šūnas ir donori konjugācijas laikā, pārnesot materiālu uz citu šūnu, kurai trūkst faktora.

F faktora DNS sastāv no aptuveni 40 gēniem, kas kontrolē seksuālā faktora replikāciju un seksuālo pilu sintēzi.

Pirmie konjugācijas procesa pierādījumi ir iegūti no Lederberga un Tatuma eksperimentiem, taču tieši Bernards Deiviss beidzot parādīja, ka kontakts ir nepieciešams pārvietošanai.

Pārveidošanās

Pārveidošana ir saistīta ar neapbruņotas DNS molekulas ņemšanu vidē, kas atrodas tuvu saimnieka baktērijām. Šis DNS gabals nāk no citas baktērijas.

Procesu var veikt dabiski, jo baktēriju populācijas parasti tiek pārveidotas. Līdzīgi pārveidi var simulēt laboratorijā, lai piespiestu baktērijas uzņemt interesējošās DNS, kas atrodamas ārpusē.

Teorētiski var paņemt jebkuru DNS gabalu. Tomēr ir novērots, ka process iesaista mazas molekulas.

Pārveidošana

Visbeidzot, transdukcijas mehānisms notiek ar fāga (vīrusa) palīdzību, kas pārnēsā DNS no donora baktērijas saņēmējam. Tāpat kā iepriekšējā gadījumā, nodotā ​​DNS daudzums ir salīdzinoši neliels, jo vīrusa spēja pārnēsāt DNS ir ierobežota.

Parasti šis mehānisms attiecas tikai uz baktērijām, kas ir filoģenētiski tuvas, jo vīrusam, kas satur DNS, ir jāsaistās ar specifiskiem baktēriju receptoriem, lai ievadītu materiālu.

Piemēri

Endonukleāzes ir fermenti, kuriem ir spēja no iekšpuses sadalīt fosfodiestera saites polinukleotīdu ķēdē - tieši tāpēc tās sauc par „endo”. Šie fermenti nekur nesagriežas, viņiem ir īpašas vietnes, ko sauc par restrikcijas vietām.

Fermentu EcoRI (E. coli) un RSRI (Rhodobacter sphaeroides) aminoskābju sekvencēs ir gandrīz 300 aminoskābju atlikumu secība, kas ir 50% identiski viens otram, skaidri norādot uz ciešu evolūcijas radniecību.

Tomēr, pateicoties citu molekulāro un bioķīmisko īpašību izpētei, šīs divas baktērijas ir ļoti atšķirīgas un no filoģenētiskā viedokļa ir ļoti maz saistītas.

Turklāt gēnā, kas kodē EcoRI fermentu, tiek izmantoti ļoti specifiski kodoni, kas atšķiras no tiem, kurus parasti izmanto E. coli, tāpēc ir aizdomas, ka gēna izcelsme nav šajā baktērijā.

Gēnu horizontālā pārnešana evolūcijā

1859. gadā britu naturālists Čārlzs Darvins ar savu evolūcijas teoriju radīja revolūciju bioloģiskajā zinātnē, izmantojot dabisko atlasi. Darvins savā ikoniskajā grāmatā “Sugu izcelsme” ierosina dzīvības koka metaforu, lai ilustrētu sugu ģenealoģiskās attiecības.

Mūsdienās filoģenēzes ir šīs metaforas formāls attēlojums, kurā tiek pieņemts, ka ģenētiskās informācijas pārnešana notiek vertikāli - no vecākiem uz bērniem.

Mēs varam izmantot šo redzējumu bez lielām neērtībām daudzšūnu organismiem, un mēs iegūsim sazarotu modeli, kā ierosina Darvins.

Tomēr šo filiāļu attēlojumu bez saplūšanas ir grūti piemērot mikroorganismiem. Salīdzinot dažādu prokariotu genomus, ir skaidrs, ka starp cilts sugām notiek plaša gēnu pārnešana.

Tādējādi, pateicoties horizontālās gēnu pārneses izplatībai, attiecību modelis vairāk līdzinās tīklam ar atzariem, kas savienoti un sapludināti.

Atsauces

1. Gogarten, JP, & Townsend, JP (2005). Gēnu horizontālā pārnese, genoma inovācijas un evolūcija. Dabas apskats Mikrobioloģija, 3 (9), 679.
2. Kīlings, PJ un Palmers, JD (2008). Horizontālā gēna pārnešana eikariotu evolūcijā. Dabas apskats Ģenētika, 9 (8), 605.
3. Pīrss, BA (2009). Ģenētika: konceptuāla pieeja. Panamerican Medical Ed.
4. Rasels, P., Hercs, P., un Makmilans, B. (2013). Bioloģija: dinamiskā zinātne. Nelsona izglītība.
5. Sumbali, G., & Mehrotra, RS (2009). Mikrobioloģijas principi. Makgreivs.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Gēnu horizontālā pārnešana. Akadēmiskā prese.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Ievads mikrobioloģijā. Panamerican Medical Ed.