Естественная компетентность
1-бактериальная клеточная ДНК
2-бактериальные клеточные плазмиды
3-Sex Pili
4-плазмида иностранной ДНК из мертвой клетки
Фермент ограничения 5 бактериальных клеток
6-undwound Foreign Plasmid
7-ДНК лигаза
I: Плазмида иностранной ДНК из мертвой клетки перехватывается сексом пили естественной компетентной бактериальной клетки.
II: инородная плазмида трансдуцируется через половой пили в бактериальную клетку, где она обрабатывается ферментами ограничения бактериальных клеток. Ферменты ограничения разбивают инородную плазмиду на цепь нуклеотидов, которые могут быть добавлены в бактериальную ДНК.
III: ДНК -лигаза интегрирует инородные нуклеотиды в ДНК бактериальных клеток.
IV: рекомбинация завершена, и инородная ДНК интегрирована в ДНК оригинальной бактериальной клетки и будет продолжать быть ее частью, когда бактериальные клетки повторяются дальше.
В микробиологии , генетике , клеточной биологии и молекулярной биологии компетентность является способностью клетки изменять свою генетику, взяв внеклеточную ДНК из окружающей среды посредством процесса, называемого трансформацией . Компетентность может быть дифференцирована между естественной компетентностью и индуцированной или искусственной компетентностью . Естественная компетентность является генетически определенной способностью бактерий , которая встречается как в естественных условиях, так и в лаборатории. Искусственная компетентность возникает, когда клетки в лабораторных культурах обрабатываются, чтобы сделать их временно проницаемыми к ДНК. Компетентность позволяет быстро адаптировать и восстановить ДНК клетки.
История
[ редактировать ]Естественная компетентность была обнаружена Фредериком Гриффитом в 1928 году, когда он показал, что приготовление убитых клеток патогенной бактерии содержало что-то, что могло преобразовать связанные непатогенные клетки в патогенный тип. [ 1 ] [ 2 ] В 1944 году Освальд Эйвери , Колин Маклеод и Маклин Маккарти продемонстрировали, что этот «трансформирующий фактор» была чистой ДНК . [ 2 ] [ 3 ] Это было первым убедительным доказательством того, что ДНК несет генетическую информацию клетки.
С тех пор естественная компетентность изучалась в ряде различных бактерий, в частности Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae и членами рода Acinetobacter . [ 1 ] Области активных исследований включают механизмы транспорта ДНК, регуляцию компетентности в различных бактериях и эволюционную функцию компетентности.
Механизмы поглощения ДНК
[ редактировать ]В лаборатории ДНК предоставляется исследователем, часто в качестве генетически спроектированного фрагмента или плазмиды . Во время поглощения ДНК транспортируется через клеточную мембрану ( и клеточную стенку , если присутствует. Как только ДНК находится внутри клетки, она может быть разлагается до нуклеотидов , которые повторно используются для репликации ДНК и других метаболических функций. В качестве альтернативы он может быть рекомбинирован клетки в геном с помощью ферментов репарации ДНК . клетки, Если эта рекомбинация изменит генотип клетка, как говорят, была трансформирована. Искусственная компетентность и трансформация используются в качестве инструментов исследования во многих организмах. [ 4 ]
Почти во всех естественных компетентных бактериях компоненты внеклеточных филаментов, называемых PILI типа IV, связывают внеклеточные двойные ДНК. Затем ДНК транслоцируется через мембрану (или мембраны для грамотрицательных бактерий) через многокомпонентные белковые комплексы, обусловленные деградацией одной цепи ДНК. Одиночная ДНК в клетке связана хорошо консервированным белком, DPRA, который загружает ДНК на RecA , которая опосредует гомологичную рекомбинацию через классический путь репарации ДНК . [ 5 ]
Регулирование компетентности
[ редактировать ]В лабораторных культурах естественная компетентность обычно строго регулируется и часто запускается путем нехватки питания или неблагоприятных условий. Тем не менее, специфические индуцирующие сигналы и регуляторные машины гораздо более изменчивы, чем механизм поглощения, системы регулирования могут варьироваться в разных видах. [ 6 ] [ 1 ] факторы транскрипции Были обнаружены , которые регулируют компетентность; Примером является SXY (также известный как TFOX), который, как было обнаружено, регулируется, в свою очередь, 5-'некодирующим элементом РНК . [ 7 ] У бактерий, способных образовывать споры , условия, вызывающие споруляцию, часто перекрываются с теми, что вызывают компетентность. [ 1 ] [ 8 ] Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки.
Считается, что большинство естественных компетентных бактерий занимают все молекулы ДНК с примерно равной эффективностью. [ 1 ] Тем не менее, бактерии в некоторых семействах, таких как Neisseriaceae и Pasteurellaceae , преимущественно занимают фрагменты ДНК, содержащие сигналы поглощения , которые являются короткими последовательностями, которые часто бывают в их собственных геномах. [ 1 ] В Neisseriaceae эти последовательности называются последовательности поглощения ДНК (DUS), в то время как в Pasteurellaceae их называют последовательность сигнала поглощения (USS). Нейссериальные геномы содержат тысячи копий предпочтительной последовательности GCCTCTGAA, а геномы Pasteurellacean содержат либо AAGTGCGGT, либо ACAAGCGGT. [ 4 ] [ 9 ]
Эволюционные функции и последствия компетентности
[ редактировать ]Большинство предложений, представленных для первичной эволюционной функции естественной компетентности как часть природной бактериальной трансформации, делятся на три категории: (1) избирательное преимущество генетического разнообразия; (2) поглощение ДНК как источник нуклеотидов (ДНК как «пища»); и (3) селективное преимущество новой цепи ДНК для способности гомологичного рекомбинационного восстановления поврежденной ДНК (репарация ДНК). Возможно, что несколько предложений верны для разных организмов. [ 1 ] Также было сделано вторичное предложение, отметив случайное преимущество горизонтального переноса генов .
Гипотеза генетического разнообразия
[ редактировать ]Согласно одной гипотезе, бактериальная трансформация может играть ту же роль в увеличении генетического разнообразия, которое секс играет в более высоких организмах. [ 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, которые включаются только во время компетенции Streptococcus pneumoniae . [ 12 ] Однако, поскольку бактерии имеют тенденцию расти в клонах, ДНК, доступная для трансформации, обычно будет иметь тот же генотип, что и у реципиентных клеток. [ 13 ] Таким образом, всегда существует высокая стоимость экспрессии белка без, в целом увеличение разнообразия. Другие различия между компетентностью и полом были рассмотрены в моделях эволюции генов, вызывающих компетентность. Эти модели обнаружили, что постулируемые рекомбинационные преимущества компетенции были даже более неуловимыми, чем у пола. [ 13 ]
Гипотеза ДНК как пищи
[ редактировать ]Вторая гипотеза, ДНК в качестве пищи, опирается на тот факт, что клетки, которые берут ДНК, неизбежно приобретают нуклеотиды, из которых состоит ДНК, и, поскольку нуклеотиды необходимы для синтеза ДНК и РНК и дорогие для синтеза, они могут внести значительный вклад к энергетическому бюджету ячейки. [ 14 ] Некоторые естественные компетентные бактерии также выделяют нуклеазы в их окружение, и все бактерии могут занимать свободные нуклеотиды, которые эти нуклеазы генерируют из ДНК окружающей среды. [ 15 ] Энергетика поглощения ДНК не понимается ни в одной системе, поэтому трудно сравнить эффективность секреции нуклеазы с эффективностью поглощения ДНК и внутренней деградации. В принципе стоимость производства нуклеазы и неопределенность восстановления нуклеотидов должны быть сбалансированы с энергией, необходимой для синтезирования механизма поглощения и привлечения ДНК. Другие важные факторы - это вероятность того, что нуклеазы и компетентные клетки будут столкнуться с молекулами ДНК, относительно неэффективности. поглощения нуклеотидов от окружающей среды и от периплазмы (где одна цепь деградируется компетентными клетками), и преимущество продуцирования готовых к использованию нуклеотидных монофосфатов из другой цепи в цитоплазме. Другим усложняющим фактором является самообладание систем поглощения ДНК видов в семействе Pasteurellaceae и рода Neisseria , что может отражать либо выбор для рекомбинации, либо для механически эффективного поглощения. [ 16 ] [ 17 ]
Гипотеза восстановления повреждения ДНК
[ редактировать ]У бактерий проблема повреждения ДНК является наиболее выраженной в периоды стресса, особенно окислительное стресс, которые возникают во время толпы или условий голода. Некоторые бактерии вызывают компетентность в таких стрессовых условиях, подтверждая гипотезу о том, что трансформация помогает восстановить ДНК. [ 1 ] В экспериментальных испытаниях бактериальные клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повредив их ДНК, а затем проходили трансформацию, выжили лучше, чем клетки, подвергшиеся воздействию повреждения ДНК, которые не подвергались трансформации. [ 18 ] Кроме того, компетентность к преобразованию часто индуцируется известными агентами, разрушающими ДНК. [ 19 ] [ 20 ] [ 1 ] Таким образом, сильным кратковременным избирательным преимуществом для естественной компетентности и трансформации будет его способность способствовать восстановлению гомологичной рекомбинационной ДНК в условиях стресса.
Горизонтальный перенос генов
[ редактировать ]Долгосрочное преимущество может иногда придавать случайным случаям горизонтального переноса генов , также называемого боковым переносом генов (что может быть результатом нехомологичной рекомбинации после индуцированной компетенции), которая может обеспечить устойчивость к антибиотикам или другие преимущества.
Независимо от природы отбора для компетентности, составная природа бактериальных геномов дает обильные доказательства того, что горизонтальный перенос генов, вызванный компетенцией, способствует генетическому разнообразию, которое делает возможной эволюцию.
Смотрите также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон глин час я Дж Хенкин, Тина М.; Петерс, Джозеф Э. (2020). Снайдер и Чемпион Молекулярная генетика бактерий (пятое изд.). Хобокен, Нью -Джерси: John Wiley & Sons, Inc. с. 246–260. ISBN 9781555819767 .
- ^ Jump up to: а беременный Blokesch, Мелани (ноябрь 2016 г.). «Естественная компетентность к трансформации». Текущая биология . 26 (21): R1126 - R1130. doi : 10.1016/j.cub.2016.08.058 .
- ^ Эйвери, Освальд Т.; Macleod, Colin M.; Маккарти, Маклин (1 февраля 1944 г.). «Исследования химической природы вещества, вызывающей трансформацию пневмококковых типов» . Журнал экспериментальной медицины . 79 (2): 137–158. doi : 10.1084/jem.79.2.137 . PMC 2135445 . PMID 19871359 .
- ^ Jump up to: а беременный Чен, я; Dubnau, D (2004). «Поглощение ДНК во время бактериальной трансформации». Nature Reviews Microbiology . 2 (3): 241–249. doi : 10.1038/nrmicro844 . PMID 15083159 . S2CID 205499369 .
- ^ Джонстон, Калум; Мартин, Бернард; Фихант, Гвеннале; Полард, Патрис; Claverys, Жан-Пьер (март 2014 г.). «Бактериальная трансформация: распределение, общие механизмы и дивергентный контроль». Nature Reviews Microbiology . 12 (3): 181–196. doi : 10.1038/nrmicro3199 . PMID 24509783 . S2CID 23559881 .
- ^ Соломон, Джонатан М.; Гроссман, Алан Д. (апрель 1996 г.). «Кто компетентен и когда: регуляция естественной генетической компетентности в бактериях». Тенденции в генетике . 12 (4): 150–155. doi : 10.1016/0168-9525 (96) 10014-7 . PMID 8901420 .
- ^ Редфилд, RJ (сентябрь 1991). «SXY-1, мутация гриппа Haemophilus, вызывая значительно повышенную спонтанную компетентность» . Журнал бактериологии . 173 (18): 5612–8. doi : 10.1128/jb.173.18.5612-5618.1991 . PMC 208288 . PMID 1653215 .
- ^ Бунстера, Мирджам; Шаффер, Марк; Соуза, Джоана; Моравска, Луза; Holsappel, Siger; Хильдебрандт, Петра; Саппа, Правин Кумар; Рат, Германн; де Йонг, Энн; Лалк, Майкл; Mäder, Ulrike; Völker, UWE; Куйперс, Оскар П. (июнь 2020 г.). «Анализ компетентных и неконвященных субпопуляций Bacillus subtilis показывают YHFW , YHXC и NCRNAS в качестве новых игроков в компетенции» . Экологическая микробиология . 22 (6): 2312–2328. doi : 10.1111/1462-2920.15005 . PMC 7317962 .
- ^ Findlay, WA; Redfield, RJ (2009). «Коэволюция последовательностей поглощения ДНК и бактериальных протеомов» . Биология и эволюция генома . 1 : 45–55. doi : 10.1093/gbe/evp005 . PMC 2817400 . PMID 20333176 .
- ^ Бартон, NH; Чарльзворт, Б. (25 сентября 1998 г.). "Почему секс и рекомбинация?". Наука . 281 (5385): 1986–1990. doi : 10.1126/science.281.5385.1986 . PMID 9748151 .
- ^ Отто, sp; Герштейн, AC (1 августа 2006 г.). «Зачем сексом? Генетика населения пола и рекомбинации». Биохимическое общество транзакций . 34 (4): 519–522. doi : 10.1042/bst0340519 . PMID 16856849 .
- ^ Петерсон, Скотт; Клайн, Робин Т.; Тетвелин, Эрве; Шаров, Васили; Моррисон, Дональд А. (ноябрь 2000 г.). «Анализ экспрессии генов регулирования компетенции Streptococcus pneumoniae с использованием микрочипов ДНК» . Журнал бактериологии . 182 (21): 6192–6202. doi : 10.1128/jb.182.21.6192-6202.2000 . PMC 94756 . PMID 11029442 .
- ^ Jump up to: а беременный Редфилд, Розмари Дж. (1988). "Является ли секс с мертвыми клетками когда -либо лучше, чем без секса вообще?" Полем Генетика . 119 (1): 213–221. doi : 10.1093/Genetics/119.1.213 . PMC 1203342 . PMID 3396864 .
- ^ Redfield, Rosemary J. (2001). "Бактерии занимаются сексом?" Полем Nature Reviews Genetics . 2 (8): 634–639. doi : 10.1038/35084593 . PMID 11483988 . S2CID 5465846 .
- ^ Dubnau, D (1999). «Поглощение ДНК у бактерий». Ежегодный обзор микробиологии . 53 (1): 217–44. doi : 10.1146/annurev.micro.53.1.217 . PMID 10547691 .
- ^ Maughan, H (2010). «Последовательности поглощения бактериальной ДНК могут накапливаться только с помощью молекулярного движения» . Генетика . 186 (2): 613–627. doi : 10.1534/Genetics.110.119438 . PMC 2954483 . PMID 20628039 .
- ^ Редфилд, Розмари Дж.; Шраг, Мэтью Р; Dead, Antony M (1997). «Эволюция бактериальной трансформации: пол с плохими отношениями» . Генетика . 146 (1): 27–38. doi : 10.1093/Genetics/146.1.27 . PMC 1207942 . PMID 9135998 .
- ^ Хольцер, Массачусетс; Мичод, Re (1 июня 1991 г.). «Репарация ДНК и эволюция трансформации в Bacillus subtilis . III. Секс с поврежденной ДНК» . Генетика . 128 (2): 215–223. doi : 10.1093/Genetics/128.2.215 . PMC 1204460 . PMID 1906416 .
- ^ Мичод, Ричард Э.; Бернштейн, Харрис; Недельку, Аврора М. (май 2008 г.). «Адаптивная ценность пола в микробных патогенах». Инфекция, генетика и эволюция . 8 (3): 267–285. doi : 10.1016/j.meegid.2008.01.002 . PMID 18295550 .
- ^ Бернштейн, Харрис; Бернштейн, Кэрол; Мишод, Ричард Э. (2012). «Глава 1 - Репарация ДНК как основная адаптивная функция пола у бактерий и эукариот». Репарация ДНК: новое исследование . Nova Publishers. С. 1–50. ISBN 978-1-62100-756-2 Полем Архивировано с оригинала 29 октября 2013 года . Получено 13 апреля 2012 года .