Естественная компетентность
1-ДНК бактериальных клеток
2-плазмиды бактериальных клеток
3-Секс, связанный
4-Плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки
5-Фермент рестрикции бактериальных клеток
6-Размотанная чужеродная плазмида
7-ДНК-лигаза
I: Плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки перехватывается половыми пилями естественно компетентной бактериальной клетки.
II: Чужеродная плазмида трансдуцируется через половые пили в бактериальную клетку, где обрабатывается ферментами рестрикции бактериальных клеток. Ферменты рестрикции разрывают чужеродную плазмиду на цепь нуклеотидов, которые можно добавить к бактериальной ДНК.
III: ДНК-лигаза интегрирует чужеродные нуклеотиды в ДНК бактериальной клетки.
IV: Рекомбинация завершена, чужеродная ДНК интегрировалась в ДНК исходной бактериальной клетки и будет продолжать оставаться ее частью, когда бактериальная клетка будет размножаться в следующий раз.
В микробиологии , генетике , клеточной биологии и молекулярной биологии компетентность — это способность клетки изменять свою генетику путем поглощения внеклеточной ДНК из окружающей среды посредством процесса, называемого трансформацией . Компетентность можно разделить на естественную компетентность и индуцированную или искусственную компетентность . Естественная компетентность — это генетически обусловленная способность бактерий , возникающая как в естественных условиях, так и в лаборатории. Искусственная компетентность возникает, когда клетки лабораторных культур обрабатывают, чтобы сделать их временно проницаемыми для ДНК. Компетентность позволяет осуществить быструю адаптацию и восстановление ДНК клетки.
История
[ редактировать ]Естественная компетентность была открыта Фредериком Гриффитом в 1928 году, когда он показал, что препарат убитых клеток патогенной бактерии содержит нечто, способное трансформировать родственные непатогенные клетки в патогенные. [1] [2] В 1944 году Освальд Эйвери , Колин Маклауд и Маклин Маккарти продемонстрировали, что этим «преобразующим фактором» является чистая ДНК . [2] [3] Это было первое убедительное доказательство того, что ДНК несет генетическую информацию клетки.
С тех пор естественная компетентность была изучена у ряда различных бактерий, в частности, Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae и представителей рода Acinetobacter . [1] Области активных исследований включают механизмы транспорта ДНК, регуляцию компетентности различных бактерий и эволюционную функцию компетентности.
Механизмы поглощения ДНК
[ редактировать ]В лаборатории ДНК предоставляется исследователем, часто в виде генно-инженерного фрагмента или плазмиды . Во время поглощения ДНК транспортируется через клеточную мембрану(ы) и клеточную стенку , если таковая имеется. Как только ДНК оказывается внутри клетки, она может расщепляться до нуклеотидов , которые повторно используются для репликации ДНК и других метаболических функций. Альтернативно, он может быть рекомбинирован клетки в геном с помощью ферментов репарации ДНК . клетки, Если эта рекомбинация меняет генотип говорят, что клетка трансформировалась. Искусственная компетентность и трансформация используются в качестве инструментов исследования во многих организмах. [4]
Почти у всех естественно компетентных бактерий компоненты внеклеточных нитей, называемые пилями IV типа, связывают внеклеточную двухцепочечную ДНК. Затем ДНК транслоцируется через мембрану (или мембраны для грамотрицательных бактерий) через многокомпонентные белковые комплексы, вызываемые деградацией одной цепи ДНК. Одноцепочечная ДНК в клетке связана с хорошо консервативным белком DprA, который загружает ДНК на RecA , что обеспечивает гомологичную рекомбинацию посредством классического пути репарации ДНК . [5]
Регулирование компетенции
[ редактировать ]В лабораторных культурах природная компетентность обычно жестко регулируется и часто вызывается нехваткой питания или неблагоприятными условиями. Однако конкретные индуцирующие сигналы и регуляторные механизмы гораздо более изменчивы, чем механизмы поглощения, а системы регуляции могут различаться у разных видов. [6] [1] транскрипционные факторы Были обнаружены , регулирующие компетентность; примером является sxy (также известный как tfoX), который, как было обнаружено, в свою очередь регулируется 5'-некодирующим элементом РНК . [7] У бактерий, способных образовывать споры , условия, индуцирующие споруляцию, часто совпадают с условиями, индуцирующими компетентность. [1] [8] Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки.
Считается, что большинство естественно компетентных бактерий поглощают все молекулы ДНК примерно с одинаковой эффективностью. [1] Однако бактерии некоторых семейств, таких как Neisseriaceae и Pasteurellaceae , преимущественно поглощают фрагменты ДНК, содержащие сигнальные последовательности , которые представляют собой короткие последовательности, часто встречающиеся в их собственных геномах. [1] У Neisseriaceae эти последовательности называются последовательностью поглощения ДНК (DUS), а у Pasteurellaceae они называются сигнальной последовательностью поглощения (USS). Геномы Neisseria содержат тысячи копий предпочтительной последовательности GCCGTCTGAA, а геномы Pasteurellacean содержат либо AAGTGCGGT, либо ACAAGCGGT. [4] [9]
Эволюционные функции и последствия компетентности
[ редактировать ]Большинство предположений, касающихся основной эволюционной функции естественной компетентности как части естественной бактериальной трансформации, делятся на три категории: (1) селективное преимущество генетического разнообразия; (2) поглощение ДНК как источника нуклеотидов (ДНК как «пища»); и (3) избирательное преимущество новой цепи ДНК, способствующее гомологичной рекомбинационной репарации поврежденной ДНК (восстановлению ДНК). Возможно, что несколько предложений верны для разных организмов. [1] Было также сделано вторичное предположение, отмечающее случайные преимущества горизонтального переноса генов .
Гипотеза генетического разнообразия
[ редактировать ]Согласно одной из гипотез, бактериальная трансформация может играть в увеличении генетического разнообразия ту же роль, которую пол играет у высших организмов. [1] [10] [11] Однако теоретические трудности, связанные с эволюцией пола, позволяют предположить, что секс для генетического разнообразия является проблематичным. В случае бактериальной трансформации компетентность требует высокой стоимости глобального переключения синтеза белка, например, более 16 генов включаются только во время компетентности Streptococcus pneumoniae . [12] Однако, поскольку бактерии имеют тенденцию расти клонами, ДНК, доступная для трансформации, обычно будет иметь тот же генотип, что и ДНК клеток-реципиентов. [13] Таким образом, экспрессия белка всегда обходится дорого, без увеличения разнообразия. Другие различия между компетентностью и полом учитывались в моделях эволюции генов, обусловливающих компетентность. Эти модели показали, что постулируемые рекомбинационные преимущества компетентности были даже более неуловимыми, чем преимущества секса. [13]
Гипотеза о ДНК как о пище
[ редактировать ]Вторая гипотеза — ДНК как пища — основана на том факте, что клетки, поглощающие ДНК, неизбежно приобретают нуклеотиды, из которых состоит ДНК, и, поскольку нуклеотиды необходимы для синтеза ДНК и РНК и их синтез дорог, они могут внести значительный вклад в энергетический бюджет клетки. [14] Некоторые естественно компетентные бактерии также выделяют нуклеазы в окружающую среду, и все бактерии могут поглощать свободные нуклеотиды, которые эти нуклеазы генерируют из ДНК окружающей среды. [15] Энергетика поглощения ДНК не изучена ни в одной системе, поэтому трудно сравнить эффективность секреции нуклеазы с эффективностью поглощения ДНК и внутренней деградации. В принципе, стоимость производства нуклеаз и неопределенность восстановления нуклеотидов должны быть сбалансированы с энергией, необходимой для синтеза механизма поглощения и втягивания ДНК. Другими важными факторами являются вероятность того, что нуклеазы и компетентные клетки столкнутся с молекулами ДНК, относительная неэффективность поглощения нуклеотидов из окружающей среды и из периплазмы (где одна цепь разрушается компетентными клетками) и преимущества производства готовых к использованию нуклеотид-монофосфатов из другой цепи в цитоплазме. Еще одним усложняющим фактором является самопредвзятость систем поглощения ДНК видов семейства Pasteurellaceae и рода Neisseria , которая может отражать либо отбор на рекомбинацию, либо на механистически эффективное поглощение. [16] [17]
Гипотеза восстановления повреждений ДНК
[ редактировать ]У бактерий проблема повреждения ДНК наиболее выражена в периоды стресса, особенно окислительного стресса, который возникает в условиях скученности или голодания. Некоторые бактерии вызывают компетентность в таких стрессовых условиях, что подтверждает гипотезу о том, что трансформация помогает восстановлению ДНК. [1] В экспериментальных испытаниях бактериальные клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих их ДНК, а затем претерпевшие трансформацию, выживали лучше, чем клетки, подвергшиеся повреждению ДНК, не подвергшиеся трансформации. [18] Кроме того, способность подвергаться трансформации часто индуцируется известными агентами, повреждающими ДНК. [19] [20] [1] Таким образом, сильным краткосрочным селективным преимуществом естественной компетентности и трансформации будет ее способность способствовать гомологичной рекомбинационной репарации ДНК в условиях стресса.
Горизонтальный перенос генов
[ редактировать ]Долгосрочное преимущество иногда может быть обеспечено случайными случаями горизонтального переноса генов , также называемого латеральным переносом генов (который может возникнуть в результате негомологичной рекомбинации после индуцирования компетентности), что может обеспечить устойчивость к антибиотикам или другие преимущества.
Независимо от характера отбора по компетентности, сложная природа бактериальных геномов предоставляет многочисленные доказательства того, что горизонтальный перенос генов, вызванный компетентностью, способствует генетическому разнообразию, которое делает возможной эволюцию.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Хенкин, Тина М.; Питерс, Джозеф Э. (2020). Молекулярная генетика бактерий Снайдера и Чампнесса (Пятое изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 246–260. ISBN 9781555819767 .
- ^ Jump up to: а б Блокеш, Мелани (ноябрь 2016 г.). «Естественная компетентность к трансформации». Современная биология . 26 (21): Р1126–Р1130. дои : 10.1016/j.cub.2016.08.058 .
- ^ Эйвери, Освальд Т.; Маклауд, Колин М.; Маккарти, Маклин (1 февраля 1944 г.). «Исследование химической природы вещества, вызывающего трансформацию типов пневмококков» . Журнал экспериментальной медицины . 79 (2): 137–158. дои : 10.1084/jem.79.2.137 . ПМК 2135445 . ПМИД 19871359 .
- ^ Jump up to: а б Чен, я; Дубнау, Д (2004). «Поглощение ДНК во время бактериальной трансформации». Обзоры природы Микробиология . 2 (3): 241–249. дои : 10.1038/nrmicro844 . ПМИД 15083159 . S2CID 205499369 .
- ^ Джонстон, Калум; Мартин, Бернард; Фишант, Гвеннаэле; Полярд, Патрис; Клаверис, Жан-Пьер (март 2014 г.). «Бактериальная трансформация: распространение, общие механизмы и дивергентный контроль». Обзоры природы Микробиология . 12 (3): 181–196. дои : 10.1038/nrmicro3199 . ПМИД 24509783 . S2CID 23559881 .
- ^ Соломон, Джонатан М.; Гроссман, Алан Д. (апрель 1996 г.). «Кто компетентен и когда: регулирование естественной генетической компетентности бактерий». Тенденции в генетике . 12 (4): 150–155. дои : 10.1016/0168-9525(96)10014-7 . ПМИД 8901420 .
- ^ Редфилд, Р.Дж. (сентябрь 1991 г.). «sxy-1, мутация Haemophilus influenzae, вызывающая значительное усиление спонтанной компетентности» . Журнал бактериологии . 173 (18): 5612–8. дои : 10.1128/jb.173.18.5612-5618.1991 . ПМК 208288 . ПМИД 1653215 .
- ^ Бунстра, Мирьям; Шаффер, Марк; Соуза, Джоана; Моравска, Луиза; Холсаппель, Сигер; Хильдебрандт, Петра; Саппа, Правин Кумар; Рат, Герман; де Йонг, Энн; Лалк, Майкл; Мэдер, Ульрике; Фёлькер, Уве; Койперс, Оскар П. (июнь 2020 г.). «Анализ компетентных и некомпетентных субпопуляций Bacillus subtilis показывает, что yhfW , yhxC и ncRNAs являются новыми игроками в компетентности». Экологическая микробиология . 22 (6): 2312–2328. дои : 10.1111/1462-2920.15005 .
- ^ Финдли, Вашингтон; Редфилд, Р.Дж. (2009). «Коэволюция последовательностей поглощения ДНК и бактериальных протеомов» . Геномная биология и эволюция . 1 : 45–55. дои : 10.1093/gbe/evp005 . ПМК 2817400 . ПМИД 20333176 .
- ^ Бартон, Нью-Хэмпшир; Чарльзуорт, Б. (25 сентября 1998 г.). «Почему секс и рекомбинация?». Наука . 281 (5385): 1986–1990. дои : 10.1126/science.281.5385.1986 . ПМИД 9748151 .
- ^ Отто, СП; Герштейн, AC (1 августа 2006 г.). «Зачем заниматься сексом? Популяционная генетика пола и рекомбинации». Труды Биохимического общества . 34 (4): 519–522. дои : 10.1042/BST0340519 . ПМИД 16856849 .
- ^ Петерсон, Скотт; Клайн, Робин Т.; Теттелен, Эрве; Шаров, Василий; Моррисон, Дональд А. (ноябрь 2000 г.). «Анализ экспрессии генов регулонов компетентности Streptococcus pneumoniae с использованием микрочипов ДНК» . Журнал бактериологии . 182 (21): 6192–6202. дои : 10.1128/JB.182.21.6192-6202.2000 . ПМК 94756 . ПМИД 11029442 .
- ^ Jump up to: а б Редфилд, Розмари Дж. (1988). «Является ли секс с мертвыми клетками лучше, чем полное отсутствие секса?» . Генетика . 119 (1): 213–221. дои : 10.1093/генетика/119.1.213 . ПМК 1203342 . ПМИД 3396864 .
- ^ Редфилд, Розмари Дж. (2001). «Есть ли у бактерий пол? . Обзоры природы Генетика . 2 (8): 634–639. дои : 10.1038/35084593 . ПМИД 11483988 . S2CID 5465846 .
- ^ Дубнау, Д (1999). «Поглощение ДНК бактериями». Ежегодный обзор микробиологии . 53 (1): 217–44. дои : 10.1146/аннурев.микро.53.1.217 . ПМИД 10547691 .
- ^ Моэн, Х (2010). «Последовательности поглощения бактериальной ДНК могут накапливаться только за счет молекулярного драйва» . Генетика . 186 (2): 613–627. дои : 10.1534/genetics.110.119438 . ПМЦ 2954483 . ПМИД 20628039 .
- ^ Редфилд, Розмари Дж.; Шраг, Мэтью Р.; Мертв, Энтони М. (1997). «Эволюция бактериальной трансформации: секс с плохими родственниками» . Генетика . 146 (1): 27–38. дои : 10.1093/генетика/146.1.27 . ПМЦ 1207942 . ПМИД 9135998 .
- ^ Хельцер, Массачусетс; Мишо, RE (1 июня 1991 г.). «Репарация ДНК и эволюция трансформации Bacillus subtilis . III. Секс с поврежденной ДНК» . Генетика . 128 (2): 215–223. дои : 10.1093/генетика/128.2.215 . ПМК 1204460 . ПМИД 1906416 .
- ^ Мишод, Ричард Э.; Бернштейн, Харрис; Недельку, Аврора М. (май 2008 г.). «Адаптационное значение пола у микробных патогенов». Инфекция, генетика и эволюция . 8 (3): 267–285. дои : 10.1016/j.meegid.2008.01.002 . ПМИД 18295550 .
- ^ Бернштейн, Харрис; Бернштейн, Кэрол; Мишод, Ричард Э. (2012). «Глава 1 - Восстановление ДНК как основная адаптивная функция пола у бактерий и эукариот». Восстановление ДНК: новые исследования . Издательство НОВА. стр. 1–50. ISBN 978-1-62100-756-2 . Архивировано из оригинала 29 октября 2013 года . Проверено 13 апреля 2012 г.