Фактор компетентности
Способность клетки успешно включать экзогенную ДНК или компетентность определяется факторами компетентности . Эти факторы состоят из определенных белков клеточной поверхности и факторов транскрипции , которые индуцируют поглощение ДНК . [ 1 ]
Естественная компетентность — это способность клетки связываться с внеклеточной ДНК и транспортировать ее через мембрану, а также рекомбинировать чужеродные гены в свою собственную ДНК посредством процесса, называемого трансформацией . [ 2 ] Результатом этого является горизонтальный перенос генов , когда бактериальные гены могут передаваться между видами одного поколения в данной среде, а компетентность - это способность клетки участвовать в переносе. Если одна клетка в популяции, живущей в неблагоприятной среде, имеет мутацию , которая приводит к лучшей выживаемости, этот ген может быть передан другим компетентным клеткам, чтобы расширить то же преимущество. Плазмиды , обычно используемые в генетических манипуляциях, также могут передаваться посредством горизонтального переноса генов, что особенно актуально в современной медицине, связанной с обменом плазмидами, устойчивыми к антибиотикам. [ 3 ]
Компетенция клетки может определяться ее генетикой, как в случае с естественной компетентностью, или ею можно манипулировать для достижения искусственной компетентности.
Существует два типа феромонов , вызывающих компетентность: ComX и CSF. ComX представляет собой из десяти аминокислот олигопептид ; для этого требуются два сопутствующих компонента: ComP, гистидинкиназа, и ComA, регулятор цитоплазматического ответа. ComX связывается с ComP на внешней стороне внутренней мембраны; ComP аутофосфорилируется, и фосфорная группа переносится на ComA. Это активирует транскрипцию генов на пути компетентности. CSF представляет собой олигопептид из пяти аминокислот и экспортируется по пути GSP. СМЖ поступает в клетку через пермеат олигопептидов и стимулирует путь компетентности в низких концентрациях (1-5 нМ); при высоких концентрациях (>20 нМ) компетентность подавляется и стимулируется споруляция. [ 2 ]
Виды компетенции
[ редактировать ]Естественный
[ редактировать ]Считается, что большинство бактерий, встречающихся в природе, обладают естественной компетентностью , а это означает, что они генетически предрасположены к поглощению чужеродной ДНК.
Искусственный
[ редактировать ]В лабораторных условиях клетки часто переводят в состояние искусственной или индуцированной компетентности, пытаясь воссоздать условия естественной среды обитания микроба. [ 4 ] Принудить бактерии к компетентности можно двумя способами: один из них — это процесс, называемый химиокомпетентностью. [ 4 ] В лаборатории клетки готовятся с помощью ледяных растворов хлорида кальция и становятся химически компетентными. Когда эти клетки затем подвергают тепловому шоку (например, 30 секунд при 42 градусах Цельсия), они способны поглощать как одноцепочечную, так и двухцепочечную ДНК и либо включать ее в свой геном, либо ДНК может существовать в виде плазмиды внутри клетки. клетка. Другой метод стимулирования бактериальной компетентности — это процесс, называемый электрокомпетентностью. [ 4 ] и это делается путем подготовки клеток с буфером с низкой ионной силой. Затем эти клетки подвергают воздействию электрического тока, чтобы сделать их более проницаемыми, и это позволяет им поглощать одно- или двухцепочечную ДНК и включать ее в свой геном или обеспечивать существование ДНК в виде плазмиды внутри клетки.
Факторы, определяющие компетентность
[ редактировать ]Streptococcus pneumoniae приобретает свою компетентность посредством пептида, стимулирующего компетентность пептида- индуктора (CSP). [ 5 ] , обитая в носоглотке , Способность S. pneumoniae поглощать устойчивые к антибиотикам плазмиды, может вызывать опасные инфекции. [ 6 ] S. pneumoniae выделяет небольшие растворимые молекулы, называемые аутоиндукторами , которые обладают способностью выражать генетическую компетентность в других клетках. Аутоиндукторы используются как тип определения кворума, который «чувствует» популяцию клеток в окружающей области. [ 5 ]
Campylobacter jejuni некомпетентен до тех пор, пока клетка не подтвердит, что экзогенный генетический материал представляет собой ДНК Campylobacter jejuni . [ 7 ] Аналогичные обстоятельства имеют место и для Bacillus subtilis , но и тогда компетентность развивается только в определенных средах. [ 8 ]
Виды Pasteurellaceae и Neisseriaceae имеют тенденцию отбирать гены у близких родственников. [ 9 ]
Регулирование
[ редактировать ]srfA регуляция оперона
[ редактировать ]Все клеточные компоненты, участвующие в восприятии внеклеточных факторов, влияют на оперон srfA . Экспрессия srfA обойдет необходимость транскрипции ДНК только для вышестоящих генов. [ 1 ] Это означает, что транскрипция не ограничивается направлением ДНК, которому она обычно следует, позволяя экзогенной ДНК транскрибироваться в геном. srfA соединен с открытой считывания comS рамкой . Когда эта рамка считывания экспрессируется, она активирует фактор транскрипции ComK. После активации ComK начнется транскрипция генов, кодирующих все необходимые компоненты естественной компетентности. Выражение как SRFA , так и comS представляет собой разные стадии регулирования компетентности. Без srfA невозможно выразить comS. Без экспрессии comS невозможна транскрипция и последующая трансляция клеточных компонентов, необходимых для принятия и интеграции экзогенной ДНК. [ 1 ]
COM-блокаторы
[ редактировать ]компетентность может быть заблокирована У S. pneumoniae с помощью механизма COM-блокаторов, которые нарушают движущую силу протонов, необходимую для производства АТФ. COM-блокаторы — это соединения, которые ингибируют активность люциферазы, а PROG и TCL — два примера COM-блокаторов — снижают внутренний pH и, таким образом, снижают внутриклеточный уровень калия. PIM не меняет внутренний pH, но влияет на поглощение K+. [ 6 ]
Преимущества
[ редактировать ]ДНК, состоящая из дезоксинуклеотидов, может быть удобным источником питания и, если она не включена в собственный геном клетки, может предоставлять необходимые материалы для репликации клеток. Большая часть ДНК, которую поглощает клетка, на самом деле не включается в геном, а расщепляется и перепрофилируется. [ 9 ] Компетентные клетки, которые с большей готовностью поглощают ДНК из окружающей среды, могут получить от этого большую пользу.
В случае успешной трансформации бактерии могут получить эволюционные преимущества от встроенной ДНК, поскольку таким образом можно разделить мутации и гены, обеспечивающие лучшую выживаемость.
Поглощение ДНК компетентными клетками также может способствовать репарации ДНК путем создания матрицы для рекомбинации, что особенно наблюдалось у Sulfolobus spp. [ 10 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Соломон, Дж. М. (1995). «Пути конвергентного восприятия опосредуют ответ на два фактора внеклеточной компетентности Bacillus subtilis» . Гены и развитие . 9 (5): 547–558. дои : 10.1101/gad.9.5.547 . ПМИД 7698645 . S2CID 44915091 . Проверено 8 ноября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б Уайт, Дэвид (2 декабря 2011 г.). Физиология и биохимия прокариот . Джеймс Драммонд, Клэй Фукуа (4-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 568–71. ISBN 978-0195393040 . OCLC 752472552 .
- ^ Доменек, Арнау (8 апреля 2020 г.). «Разрушители протонной движущей силы блокируют бактериальную компетентность и горизонтальный перенос генов» . Клетка-хозяин и микроб . 27 (4): 544–555. дои : 10.1016/j.chom.2020.02.002 . ПМИД 32130952 . S2CID 212418162 .
- ^ Jump up to: а б с Молекулярная генетика бактерий . Ларри Снайдер, Ларри Снайдер (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. 2013. ISBN 978-1-55581-627-8 . OCLC 799010630 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Морено-Гамес, Стефани (11 октября 2017 г.). «Ощущение кворума объединяет сигналы окружающей среды, плотность клеток и историю клеток для контроля бактериальной компетентности» . Природные коммуникации . 8 (1): 854. Бибкод : 2017NatCo...8..854M . дои : 10.1038/s41467-017-00903-y . ПМК 5636887 . ПМИД 29021534 .
- ^ Jump up to: а б Доменек, Арнау; Брочадо, Ханна Рита; Отправитель, Вики; Хентрих, Карина; Энрикес-Нормарк, Биргитта; Типас, Афанасий; Вининг, Ян-Виллем (08 апреля 2020 г.). «Разрушители протонной движущей силы блокируют бактериальную компетентность и горизонтальный перенос генов» . Клетка-хозяин и микроб . 27 (4): 544–555.e3. дои : 10.1016/j.chom.2020.02.002 . ISSN 1931-3128 . ПМИД 32130952 . S2CID 212418162 .
- ^ Гольц, Юлия С (21 сентября 2021 г.). « Прими это или оставь» — факторы, регулирующие развитие компетентности и поглощение ДНК у Campylobacter jejuni» . Международный журнал молекулярных наук . 22 (18): 10169. doi : 10.3390/ijms221810169 . ПМЦ 8468864 . ПМИД 34576332 .
- ^ Дубнау, Д (1991). «Генетическая компетентность Bacillus subtilis» . Микробиологические обзоры . 55 (3): 395–424. дои : 10.1128/мр.55.3.395-424.1991 . ISSN 0146-0749 . ПМК 372826 . ПМИД 1943994 .
- ^ Jump up to: а б Мелл, Джошуа Чанг; Редфилд, Розмари Дж. (2014). «Естественная компетентность и эволюция специфичности поглощения ДНК» . Журнал бактериологии . 196 (8): 1471–1483. дои : 10.1128/JB.01293-13 . ISSN 0021-9193 . ПМЦ 3993363 . ПМИД 24488316 .
- ^ Вагнер, Александр; Уитакер, Рэйчел Дж.; Краузе, Дэвид Дж.; Хейлерс, Ян-Хендрик; ван Вулферен, Марлин; ван дер Дос, Крис; Альберс, Соня-Верена (2017). «Механизмы потока генов у архей» . Обзоры природы Микробиология . 15 (8): 492–501. дои : 10.1038/nrmicro.2017.41 . ISSN 1740-1534 . ПМИД 28502981 . S2CID 10292596 .