Трансдукция (генетика)

Трансдукция — это процесс, посредством которого чужеродная ДНК вводится в клетку вирусом или вирусным вектором . ^[1] Примером является вирусный перенос ДНК от одной бактерии к другой и, следовательно, пример горизонтального переноса генов . ^[2] Трансдукция не требует физического контакта между клеткой, отдающей ДНК, и клеткой, получающей ДНК (что происходит при конъюгации ), и она устойчива к ДНКазе ( трансформация восприимчива к ДНКазе). Трансдукция — это распространенный инструмент, используемый молекулярными биологами для стабильного введения чужеродного гена в геном клетки-хозяина (как бактериальной, так и млекопитающей).

Открытие (бактериальная трансдукция)

Трансдукция была обнаружена у сальмонелл и Нортоном Зиндером Джошуа Ледербергом в Университете Висконсин-Мэдисон в 1952 году. ^[3]

В литическом и лизогенном циклах

Трансдукция происходит либо в литическом цикле, либо в лизогенном цикле.Когда бактериофаги литические (вирусы, поражающие бактерии) заражают бактериальные клетки, они используют механизмы репликации , транскрипции и трансляции бактериальной клетки-хозяина для создания новых вирусных частиц ( вирионов ). Затем новые фаговые частицы высвобождаются в результате лизиса хозяина. В лизогенном цикле фаговая хромосома интегрируется как профаг в бактериальную хромосому, где она может оставаться в состоянии покоя в течение длительных периодов времени. Если профаг индуцируется (например, ультрафиолетовым светом), геном фага вырезается из бактериальной хромосомы и инициирует литический цикл, который завершается лизисом клетки и высвобождением фаговых частиц. Генерализованная трансдукция (см. ниже) происходит в обоих циклах на литической стадии, тогда как специализированная трансдукция (см. Ниже) происходит при удалении профага в лизогенном цикле. ^{[ нужна ссылка ]}

Как метод передачи генетического материала

Трансдукция бактериофагами

Упаковка ДНК бактериофага в фаговые капсиды имеет низкую точность. Небольшие кусочки бактериальной ДНК могут быть упакованы в частицы бактериофага. Есть два способа, которыми это может привести к трансдукции. ^{[ нужна ссылка ]}

Генерализованная трансдукция

Генерализованная трансдукция происходит, когда случайные фрагменты бактериальной ДНК упаковываются в фаг. Это происходит, когда фаг находится в литической стадии, в тот момент, когда вирусная ДНК упаковывается в головки фага. Если вирус размножается с использованием «головной упаковки», он пытается наполнить голову генетическим материалом. Если вирусный геном имеет резервную емкость, механизмы вирусной упаковки могут включать бактериальный генетический материал в новый вирион. Альтернативно, генерализованная трансдукция может происходить посредством рекомбинации . Генерализованная трансдукция является редким явлением и встречается примерно у 1 фага на 11 000.

Новая вирусная капсула, содержащая часть бактериальной ДНК, затем заражает другую бактериальную клетку. Когда бактериальная ДНК, упакованная в вирус, вставляется в клетку-реципиент, с ней могут произойти три вещи: ^{[ нужна ссылка ]}^[4]

ДНК перерабатывается на запасные части.
Если ДНК изначально была плазмидой , она повторно циркулирует внутри новой клетки и снова станет плазмидой.
Если новая ДНК совпадает с гомологичной областью хромосомы клетки-реципиента, она будет обмениваться материалом ДНК, аналогично действиям при бактериальной рекомбинации .

Специализированная трансдукция

Специализированная трансдукция — это процесс, посредством которого ограниченный набор бактериальных генов переносится другой бактерии. Те гены, которые расположены рядом с профагом, переносятся вследствие неправильного вырезания. Специализированная трансдукция происходит, когда профаг вырезается из хромосомы неточно, так что бактериальные гены, расположенные рядом с ним, включаются в вырезанную ДНК. Вырезанная ДНК вместе с вирусной ДНК затем упаковывается в новую вирусную частицу, которая затем доставляется к новой бактерии, когда фаг атакует новую бактерию. При этом донорские гены могут быть встроены в хромосому-реципиент или оставаться в цитоплазме, в зависимости от природы бактериофага. ^{[ нужна ссылка ]}

Когда частично инкапсулированный фаговый материал заражает другую клетку и становится профагом, частично закодированная ДНК профага называется «гетерогенотом». ^{[ нужна ссылка ]}

Примером специализированной трансдукции является фаг λ в Escherichia coli . ^[5]

Латеральная трансдукция

Латеральная трансдукция — это процесс, при котором очень длинные фрагменты бактериальной ДНК передаются другой бактерии. До сих пор эта форма трансдукции была описана только у Staphylococcus aureus , но она может передавать больше генов и с более высокой частотой, чем генерализованная и специализированная трансдукция. При латеральной трансдукции профаг начинает свою репликацию in situ перед иссечением, что приводит к репликации прилегающей бактериальной ДНК. После этого упаковка реплицированного фага из его pac- сайта (расположенного примерно в середине фагового генома) и соседних бактериальных генов происходит in situ, до 105% размера фагового генома. Последовательная упаковка после инициации исходного pac -сайта приводит к упаковке нескольких тысяч оснований бактериальных генов в новые вирусные частицы, которые передаются новым бактериальным штаммам. Если перенесенный генетический материал в этих трансдуцирующих частицах обеспечивает достаточное количество ДНК для гомологичной рекомбинации, генетический материал будет вставлен в хромосому-реципиент.Поскольку во время репликации in situ образуется множество копий генома фага, некоторые из этих реплицированных профагов вырезаются нормально (вместо того, чтобы упаковываться in situ), образуя нормальные инфекционные фаги. ^[6]

Трансдукция клеток млекопитающих вирусными векторами

Трансдукцию вирусными векторами можно использовать для вставки или модификации генов в клетках млекопитающих. Его часто используют в качестве инструмента фундаментальных исследований и активно исследуют как потенциальное средство генной терапии . ^{[ нужна ссылка ]}

Процесс

В этих случаях конструируют плазмиду, в которой переносимые гены фланкированы вирусными последовательностями, которые используются вирусными белками для распознавания и упаковки вирусного генома в вирусные частицы. Эту плазмиду встраивают (обычно путем трансфекции ) в клетку-продуцент вместе с другими плазмидами (конструкциями ДНК), несущими вирусные гены, необходимые для образования инфекционных вирионов . В этих клетках-продуцентах вирусные белки, экспрессируемые этими упаковочными конструкциями, связывают последовательности ДНК/РНК (в зависимости от типа вирусного вектора), подлежащие переносу, и встраивают их в вирусные частицы. В целях безопасности ни одна из используемых плазмид не содержит всех последовательностей, необходимых для образования вируса, поэтому для получения инфекционных вирионов требуется одновременная трансфекция нескольких плазмид. Более того, только плазмида, несущая переносимые последовательности, содержит сигналы, позволяющие упаковать генетический материал в вирионы так, что ни один из генов, кодирующих вирусные белки, не упаковывается. Вирусы, собранные из этих клеток, затем применяются к клеткам, подлежащим изменению. Начальные стадии этих инфекций имитируют заражение природными вирусами и приводят к экспрессии перенесенных генов и (в случае лентивирусные /ретровирусные векторы) вставка ДНК для переноса в клеточный геном. Однако, поскольку перенесенный генетический материал не кодирует ни один из вирусных генов, эти инфекции не приводят к образованию новых вирусов (вирусы имеют «дефицит репликации»). ^{[ нужна ссылка ]}

Для повышения эффективности трансдукции использовались некоторые усилители, такие как полибрен , сульфат протамина , ретронектин и DEAE-декстран. ^[7]

Медицинские применения

Генная терапия : исправление генетических заболеваний путем прямой модификации генетической ошибки. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Электропорация – использование электрического поля для увеличения проницаемости клеточной мембраны.
Фаготерапия – терапевтическое применение бактериофагов.
Преобразование сигнала
Трансфекция – способ внедрения ДНК в клетку.
Трансформация (генетика) – способ внедрения ДНК в клетку.
Вирусный вектор – широко используемый инструмент для доставки генетического материала в клетки.

Ссылки

^ Трансдукция, генетика , Национальная медицинская библиотека США по медицинским предметным рубрикам (MeSH).
^ Джонс Э., Хартл Д.Л. (1998). Генетика: принципы и анализ . Бостон: Издательство Jones and Bartlett. ISBN 978-0-7637-0489-6 .
^ Зиндер Н.Д., Ледерберг Дж. (ноябрь 1952 г.). «Генетический обмен при сальмонелле» . Журнал бактериологии . 64 (5): 679–99. дои : 10.1128/JB.64.5.679-699.1952 . ПМК 169409 . ПМИД 12999698 .
^ Родригес-Лазаро, Давид (31 мая 2017 г.). «Бактериофаги способствуют распространению генов устойчивости к антибиотикам среди пищевых патогенов семейства Enterobacteriaceae – обзор» . Границы микробиологии . 8 : 1108. дои : 10.3389/fmicb.2017.01108 . ПМК 5476706 . ПМИД 28676794 .
^ Снайдер Л., Питерс Дж.Э., Хенкин Т.М., Чампнесс В. (2013). «Лизогения: λ-парадигма и роль лизогенной конверсии в бактериальном патогенезе». Молекулярная генетика бактерий (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. стр. 340–343. ISBN 9781555816278 .
^ Чэнь Дж.; и др. (13 октября 2018 г.). «Гипермобильность генома за счет латеральной трансдукции» . Наука . 362 (6411): 207–212. Бибкод : 2018Sci...362..207C . дои : 10.1126/science.aat5867 . hdl : 20.500.11820/a13340e9-873c-48c5-87c6-e2e92d1fffa1 . ПМИД 30309949 .
^ Деннинг В., Дас С., Го С., Сюй Дж., Каппес Дж. К., Хель З. (март 2013 г.). «Оптимизация трансдукционной эффективности лентивирусных векторов: влияние сывороток и поликатионов» . Молекулярная биотехнология . 53 (3): 308–14. дои : 10.1007/s12033-012-9528-5 . ПМЦ 3456965 . ПМИД 22407723 .

Внешние ссылки

Генетика + трансдукция в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
Обзор на сайте ncbi.nlm.nih.gov.
http://www.med.umich.edu/vcore/protocols/RetroviralCellScreenInfection13FEB2006.pdf (протокол трансдукции)
Генерализованная и специализированная трансдукция на sdsu.edu

[1] Трансдукция, генетика , Национальная медицинская библиотека США по медицинским предметным рубрикам (MeSH).

[HartlJones1998-2] Джонс Э., Хартл Д.Л. (1998). Генетика: принципы и анализ . Бостон: Издательство Jones and Bartlett. ISBN 978-0-7637-0489-6 .

[pmid12999698-3] Зиндер Н.Д., Ледерберг Дж. (ноябрь 1952 г.). «Генетический обмен при сальмонелле» . Журнал бактериологии . 64 (5): 679–99. дои : 10.1128/JB.64.5.679-699.1952 . ПМК 169409 . ПМИД 12999698 .

[4] Родригес-Лазаро, Давид (31 мая 2017 г.). «Бактериофаги способствуют распространению генов устойчивости к антибиотикам среди пищевых патогенов семейства Enterobacteriaceae – обзор» . Границы микробиологии . 8 : 1108. дои : 10.3389/fmicb.2017.01108 . ПМК 5476706 . ПМИД 28676794 .

[5] Снайдер Л., Питерс Дж.Э., Хенкин Т.М., Чампнесс В. (2013). «Лизогения: λ-парадигма и роль лизогенной конверсии в бактериальном патогенезе». Молекулярная генетика бактерий (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. стр. 340–343. ISBN 9781555816278 .

[6] Чэнь Дж.; и др. (13 октября 2018 г.). «Гипермобильность генома за счет латеральной трансдукции» . Наука . 362 (6411): 207–212. Бибкод : 2018Sci...362..207C . дои : 10.1126/science.aat5867 . hdl : 20.500.11820/a13340e9-873c-48c5-87c6-e2e92d1fffa1 . ПМИД 30309949 .

[7] Деннинг В., Дас С., Го С., Сюй Дж., Каппес Дж. К., Хель З. (март 2013 г.). «Оптимизация трансдукционной эффективности лентивирусных векторов: влияние сывороток и поликатионов» . Молекулярная биотехнология . 53 (3): 308–14. дои : 10.1007/s12033-012-9528-5 . ПМЦ 3456965 . ПМИД 22407723 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

v т и Генетика : гомологичная рекомбинация / мобильные генетические элементы.
В первую очередь прокариотические	Спряжение Трансдукция Трансформация
Встречается у эукариот	Трансфекция Хромосомный кроссовер Конверсия генов Ген слияния Горизонтальный перенос генов Обмен сестринскими хроматидами Транспозон
Популярный	Антигенный сдвиг Реассортимент Вирусный сдвиг