Бактериальная рекомбинация

Бактериальная рекомбинация — это тип генетической рекомбинации у бактерий, характеризующийся переносом ДНК от одного организма, называемого донором, к другому организму в качестве реципиента. Этот процесс происходит тремя основными способами:

Трансформация — поглощение экзогенной ДНК из окружающей среды.
Трансдукция — вирусопосредованный перенос ДНК между бактериями.
Конъюгация – перенос ДНК от одной бактерии к другой посредством контакта между клетками. ^[1]^[2]^[3]^[4]

Конечным результатом конъюгации, трансдукции и/или трансформации является производство генетических рекомбинантов , особей, несущих не только гены, которые они унаследовали от своих родительских клеток, но также гены, введенные в их геномы путем конъюгации, трансдукции и/или трансформации. ^[5]^[6]^[7]

Рекомбинация у бактерий обычно катализируется рекомбиназой типа RecA . ^[8] Эти рекомбиназы способствуют восстановлению путем повреждений ДНК гомологичной рекомбинации . ^[8]

Способность к естественной трансформации присутствует как минимум у 67 видов бактерий. ^[9] Естественная трансформация распространена среди патогенных видов бактерий. ^[10] В некоторых случаях способность репарации ДНК , обеспечиваемая рекомбинацией во время трансформации, способствует выживанию инфицирующего бактериального патогена. ^[10] Бактериальная трансформация осуществляется многочисленными взаимодействующими бактериальными генными продуктами . ^[9]

Эволюция

Раньше эволюцию бактерий рассматривали как результат мутации или генетического дрейфа. ^[11] Сегодня генетический обмен или перенос генов рассматривается как основная движущая сила эволюции прокариот . ^[11] Эта движущая сила широко изучалась на таких организмах, как E. coli . ^[12] Бактерии размножаются бесполым путем, при этом дочерние клетки являются клонами родительских клеток. Эта клональная природа приводит к случайным мутациям, возникающим во время репликации ДНК, что потенциально помогает бактериям развиваться. ^[13] Первоначально считалось, что только накопленные мутации помогают бактериям развиваться. ^[14] Напротив, бактерии также импортируют гены в процессе, называемом гомологичной рекомбинацией , впервые обнаруженном при наблюдении мозаичных генов в локусах, кодирующих устойчивость к антибиотикам. ^[11] Открытие гомологичной рекомбинации оказало влияние на понимание эволюции бактерий. Важность эволюции бактериальной рекомбинации заключается в ее адаптивности. Например, было показано, что бактериальная рекомбинация способствует передаче генов множественной лекарственной устойчивости посредством гомологичной рекомбинации, которая выходит за рамки уровней, полученных исключительно путем мутации. ^[15]

Механизмы бактериальной рекомбинации

Бактериальная рекомбинация претерпевает различные процессы. Процессы включают: трансформацию, трансдукцию, конъюгацию и гомологичную рекомбинацию. Гомологичная рекомбинация основана на переносе кДНК генетического материала. Комплементарные последовательности ДНК переносят генетический материал в идентичные гомологичные хромосомы. Отцовские и материнские парные хромосомы выровняются, чтобы последовательности ДНК подверглись процессу кроссинговера. ^[16] Трансформация включает поглощение экзогенной ДНК из окружающей среды. Фрагменты ДНК деградировавшей бактерии передаются в окружающую компетентную бактерию, что приводит к обмену ДНК от реципиента. ^[17] Трансдукция связана с вирусно-опосредованными векторами, переносящими материал ДНК от одной бактерии к другой внутри генома. ^[18] Бактериальная ДНК помещается в геном бактериофага посредством бактериальной трансдукции. При бактериальной конъюгации ДНК передается посредством межклеточной коммуникации. Межклеточная связь может включать плазмиды, которые позволяют переносить ДНК в другую соседнюю клетку. ^[19] Соседние клетки поглощают F-плазмиду (плазмиду фертильности: наследственный материал, присутствующий в хромосоме). Клетка-реципиент и донорская клетка вступают в контакт во время переноса F-плазмиды. Клетки подвергаются горизонтальному переносу генов, при котором переносится генетический материал. ^[20]

Механизмы двухцепочечных разрывов

Путь RecBCD при гомологичной рекомбинации восстанавливает двухцепочечные разрывы ДНК, которые деградировали у бактерий. Пары оснований, прикрепленные к нитям ДНК, подвергаются обмену на стыке Холлидея . На втором этапе бактериальной рекомбинации происходит миграция ветвей . включает в себя постоянную замену пар оснований гомологичных цепей ДНК на соединении Холлидея. В результате образуются два дуплекса ДНК. ^[21] Путь RecBCD подвергается геликазной активности путем распаковки дуплекса ДНК и останавливается, когда нуклеотидная последовательность достигает 5'-GCTGGTGG-3'. Эта нуклеотидная последовательность известна как сайт Chi. Ферменты RecBCD изменятся после того, как нуклеотидная последовательность достигнет сайта Chi. Путь RecF восстанавливает деградацию нитей ДНК. ^[18]

См. также

Генетическая рекомбинация

Ссылки

^ Байрович К, Еврич-Чаушевич А, Хаджиселимович Р, ред. (2005). Введение в генную инженерию и биотехнологию . Институт генной инженерии и биотехнологии (INGEB), Сараево. ISBN 9958-9344-1-8 .
^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Гирляндная наука. ISBN 0-8153-4072-9 .
^ Кинг Р.С., Стрэнсфилд В.Д. (1998). Словарь генетики . Нью-Йорк, Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-50944-1-7 .
^ Ригер Р.М., Грин М.М. (1976). Глоссарий генетики и цитогенетики: Классический и молекулярный . Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 3-540-07668-9 .
^ «Рекомбинация» . Бесплатный словарь .
^ Кимбалл Дж.В. (10 февраля 2017 г.). «Генетическая рекомбинация у бактерий» . Страницы биологии Кимбалла .
^ Хиремат Д.С. (16 апреля 2013 г.). «Бактериальная рекомбинация» .
^ Jump up to: ^а ^б Хофстаттер П.Г., Тайс А.К., Канг С., Браун М.В., Лар DJ (октябрь 2016 г.). «Эволюция бактериальной рекомбиназы А (recA) у эукариот, объясненная добавлением геномных данных ключевых микробных линий» . Слушания. Биологические науки . 283 (1840). дои : 10.1098/rspb.2016.1453 . ПМК 5069510 . ПМИД 27708147 .
^ Jump up to: ^а ^б Джонсборг О., Эльдхольм В., Ховарштайн Л.С. (декабрь 2007 г.). «Естественная генетическая трансформация: распространенность, механизмы и функции» . Исследования в области микробиологии . 158 (10): 767–78. дои : 10.1016/j.resmic.2007.09.004 . ПМИД 17997281 .
^ Jump up to: ^а ^б Бернштейн Х., Бернштейн К., Мишод Р.Э. (январь 2018 г.). «Пол у микробных патогенов» . Инфекция, генетика и эволюция . 57 : 8–25. дои : 10.1016/j.meegid.2017.10.024 . ПМИД 29111273 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дидло, Ксавье; Мейден, Мартин CJ (июль 2010 г.). «Влияние рекомбинации на эволюцию бактерий» . Тенденции в микробиологии . 18 (7): 315–322. дои : 10.1016/j.tim.2010.04.002 . ISSN 0966-842X . ПМЦ 3985120 . ПМИД 20452218 .
^ Тушон, Мари; Перрен, Амандин; Соуза, Хорхе Андре Моура де; Вангчхия, Белинда; Гори, Саманта; О'Брайен, Клэр Л.; Денамур, Эрик; Гордон, Дэвид; Роча, Эдуардо ПК (12 июня 2020 г.). «Филогенетическая основа и среда обитания способствуют генетическому разнообразию Escherichia coli» . ПЛОС Генетика . 16 (6): e1008866. дои : 10.1371/journal.pgen.1008866 . ISSN 1553-7404 . ПМК 7314097 . ПМИД 32530914 .
^ Шапиро, Б. Джесси (24 марта 2016 г.). «Насколько клональны бактерии с течением времени?» . биоRxiv . 31 : 116–123. дои : 10.1101/036780 . ПМИД 27057964 . S2CID 196619031 .
^ Левин, Брюс Р.; Бергстрем, Карл Т. (20 июня 2000 г.). «Бактерии бывают разные: Наблюдения, интерпретации, предположения и мнения о механизмах адаптивной эволюции прокариот» . Труды Национальной академии наук . 97 (13): 6981–6985. Бибкод : 2000PNAS...97.6981L . дои : 10.1073/pnas.97.13.6981 . ISSN 0027-8424 . ПМК 34373 . ПМИД 10860960 .
^ Перрон, Габриэль Г.; Ли, Александр Э.Г.; Ван, Юн; Хуан, Вэй Э.; Барракло, Тимоти Г. (22 апреля 2012 г.). «Бактериальная рекомбинация способствует развитию множественной лекарственной устойчивости в функционально разнообразных популяциях» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 279 (1733): 1477–1484. дои : 10.1098/рспб.2011.1933 . ISSN 0962-8452 . ПМЦ 3282345 . ПМИД 22048956 .
^ Джулин, Дуглас А. (2017), Уэллс, Роберт Д.; Бонд, Джудит С.; Клинман, Джудит; Мастерс, Бетти Сью Силер (ред.), «Рекомбинация: механизмы, пути и приложения» , «Молекулярные науки о жизни: энциклопедический справочник» , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, стр. 1–28, doi : 10.1007/978-1- 4614-6436-5_366-1 , ISBN 978-1-4614-6436-5 , получено 21 апреля 2021 г.
^ «Генетическая рекомбинация: трансформация» . факультет.ccbcmd.edu . Проверено 21 апреля 2021 г.
^ Jump up to: ^а ^б «7.11А: Обобщенная рекомбинация и RecA» . Свободные тексты по биологии . 17 мая 2017 г. Проверено 21 апреля 2021 г.
^ Виролле, Хлоя; Голдласт, Келли; Джермун, Сара; Биго, Сара; Лестерлин, Кристиан (22 октября 2020 г.). «Перенос плазмиды путем конъюгации в грамотрицательных бактериях: от клеточного к общественному уровню» . Гены . 11 (11): 1239. doi : 10.3390/genes11111239 . ISSN 2073-4425 . ПМК 7690428 . ПМИД 33105635 .
^ «Бактериальная конъюгация» . Биологический словарь . 18 мая 2017 г. . Проверено 21 апреля 2021 г.
^ Панютин И.Г.; Се, П. (15 марта 1994 г.). «Кинетика спонтанной миграции ветвей ДНК» . Труды Национальной академии наук . 91 (6): 2021–2025 гг. Бибкод : 1994ПНАС...91.2021П . дои : 10.1073/pnas.91.6.2021 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 43301 . ПМИД 8134343 .

[Bajrović-1] Байрович К, Еврич-Чаушевич А, Хаджиселимович Р, ред. (2005). Введение в генную инженерию и биотехнологию . Институт генной инженерии и биотехнологии (INGEB), Сараево. ISBN 9958-9344-1-8 .

[Alberts-2] Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Гирляндная наука. ISBN 0-8153-4072-9 .

[king-3] Кинг Р.С., Стрэнсфилд В.Д. (1998). Словарь генетики . Нью-Йорк, Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-50944-1-7 .

[RM-4] Ригер Р.М., Грин М.М. (1976). Глоссарий генетики и цитогенетики: Классический и молекулярный . Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN 3-540-07668-9 .

[5] «Рекомбинация» . Бесплатный словарь .

[6] Кимбалл Дж.В. (10 февраля 2017 г.). «Генетическая рекомбинация у бактерий» . Страницы биологии Кимбалла .

[7] Хиремат Д.С. (16 апреля 2013 г.). «Бактериальная рекомбинация» .

[Hofstatter2016-8] Jump up to: ^а ^б Хофстаттер П.Г., Тайс А.К., Канг С., Браун М.В., Лар DJ (октябрь 2016 г.). «Эволюция бактериальной рекомбиназы А (recA) у эукариот, объясненная добавлением геномных данных ключевых микробных линий» . Слушания. Биологические науки . 283 (1840). дои : 10.1098/rspb.2016.1453 . ПМК 5069510 . ПМИД 27708147 .

[Johnsborg2007-9] Jump up to: ^а ^б Джонсборг О., Эльдхольм В., Ховарштайн Л.С. (декабрь 2007 г.). «Естественная генетическая трансформация: распространенность, механизмы и функции» . Исследования в области микробиологии . 158 (10): 767–78. дои : 10.1016/j.resmic.2007.09.004 . ПМИД 17997281 .

[Bernstein2018-10] Jump up to: ^а ^б Бернштейн Х., Бернштейн К., Мишод Р.Э. (январь 2018 г.). «Пол у микробных патогенов» . Инфекция, генетика и эволюция . 57 : 8–25. дои : 10.1016/j.meegid.2017.10.024 . ПМИД 29111273 .

[:0-11] Jump up to: ^а ^б ^с Дидло, Ксавье; Мейден, Мартин CJ (июль 2010 г.). «Влияние рекомбинации на эволюцию бактерий» . Тенденции в микробиологии . 18 (7): 315–322. дои : 10.1016/j.tim.2010.04.002 . ISSN 0966-842X . ПМЦ 3985120 . ПМИД 20452218 .

[12] Тушон, Мари; Перрен, Амандин; Соуза, Хорхе Андре Моура де; Вангчхия, Белинда; Гори, Саманта; О'Брайен, Клэр Л.; Денамур, Эрик; Гордон, Дэвид; Роча, Эдуардо ПК (12 июня 2020 г.). «Филогенетическая основа и среда обитания способствуют генетическому разнообразию Escherichia coli» . ПЛОС Генетика . 16 (6): e1008866. дои : 10.1371/journal.pgen.1008866 . ISSN 1553-7404 . ПМК 7314097 . ПМИД 32530914 .

[13] Шапиро, Б. Джесси (24 марта 2016 г.). «Насколько клональны бактерии с течением времени?» . биоRxiv . 31 : 116–123. дои : 10.1101/036780 . ПМИД 27057964 . S2CID 196619031 .

[14] Левин, Брюс Р.; Бергстрем, Карл Т. (20 июня 2000 г.). «Бактерии бывают разные: Наблюдения, интерпретации, предположения и мнения о механизмах адаптивной эволюции прокариот» . Труды Национальной академии наук . 97 (13): 6981–6985. Бибкод : 2000PNAS...97.6981L . дои : 10.1073/pnas.97.13.6981 . ISSN 0027-8424 . ПМК 34373 . ПМИД 10860960 .

[15] Перрон, Габриэль Г.; Ли, Александр Э.Г.; Ван, Юн; Хуан, Вэй Э.; Барракло, Тимоти Г. (22 апреля 2012 г.). «Бактериальная рекомбинация способствует развитию множественной лекарственной устойчивости в функционально разнообразных популяциях» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 279 (1733): 1477–1484. дои : 10.1098/рспб.2011.1933 . ISSN 0962-8452 . ПМЦ 3282345 . ПМИД 22048956 .

[16] Джулин, Дуглас А. (2017), Уэллс, Роберт Д.; Бонд, Джудит С.; Клинман, Джудит; Мастерс, Бетти Сью Силер (ред.), «Рекомбинация: механизмы, пути и приложения» , «Молекулярные науки о жизни: энциклопедический справочник» , Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer, стр. 1–28, doi : 10.1007/978-1- 4614-6436-5_366-1 , ISBN 978-1-4614-6436-5 , получено 21 апреля 2021 г.

[17] «Генетическая рекомбинация: трансформация» . факультет.ccbcmd.edu . Проверено 21 апреля 2021 г.

[bio.libretexts.org-18] Jump up to: ^а ^б «7.11А: Обобщенная рекомбинация и RecA» . Свободные тексты по биологии . 17 мая 2017 г. Проверено 21 апреля 2021 г.

[19] Виролле, Хлоя; Голдласт, Келли; Джермун, Сара; Биго, Сара; Лестерлин, Кристиан (22 октября 2020 г.). «Перенос плазмиды путем конъюгации в грамотрицательных бактериях: от клеточного к общественному уровню» . Гены . 11 (11): 1239. doi : 10.3390/genes11111239 . ISSN 2073-4425 . ПМК 7690428 . ПМИД 33105635 .

[20] «Бактериальная конъюгация» . Биологический словарь . 18 мая 2017 г. . Проверено 21 апреля 2021 г.

[21] Панютин И.Г.; Се, П. (15 марта 1994 г.). «Кинетика спонтанной миграции ветвей ДНК» . Труды Национальной академии наук . 91 (6): 2021–2025 гг. Бибкод : 1994ПНАС...91.2021П . дои : 10.1073/pnas.91.6.2021 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 43301 . ПМИД 8134343 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]