Генная кассета

В биологии генная кассета — это тип мобильного генетического элемента , содержащего ген и сайт рекомбинации . Каждая кассета обычно содержит один ген и имеет тенденцию быть очень маленькой; порядка 500–1000 пар оснований . Они могут существовать включенными в интегрон или свободно в виде кольцевой ДНК. ^[1] Генные кассеты могут перемещаться внутри генома организма или передаваться другому организму в окружающей среде посредством горизонтального переноса генов . Эти кассеты часто несут устойчивости к антибиотикам гены . Примером может служить кассета kanMX , которая придает к канамицину ( антибиотику устойчивость бактериям ) .

Интегроны

Интегроны представляют собой генетические структуры бактерий , которые экспрессируют генные кассеты и способны приобретать и обмениваться ими. Интегрон состоит из промотора , сайта прикрепления и гена интегразы , кодирующего сайт-специфическую рекомбиназу. ^[2] Описаны три класса интегронов. ^[1] Мобильные единицы, которые встраиваются в интегроны, представляют собой генные кассеты. ^[2] Для кассет, несущих один ген без промотора, вся серия кассет транскрибируется с соседнего промотора внутри интегрона. ^[3] Предполагается, что генные кассеты вставляются и вырезаются через кольцевой промежуточный продукт. ^[4] Это потребует рекомбинации между короткими последовательностями, обнаруженными на их концах и известными как элементы из 59 оснований (59-be), длина которых может не составлять 59 оснований. 59-be представляют собой разнообразное семейство последовательностей, которые функционируют как сайты узнавания для сайт-специфической интегразы (фермента, ответственного за интеграцию генной кассеты в интегрон), расположенного ниже кодирующей последовательности гена. ^[5]

Разнообразие и распространенность

Способность генетических элементов, таких как генные кассеты, вырезать и вставлять в геномы, приводит к появлению очень похожих областей генов у отдаленно родственных организмов. Три класса интегронов схожи по структуре и различаются по тому, где происходят вставки и с какими системами они совпадают. Интегроны класса 1 встречаются в разнообразных группах бактериальных геномов и, вероятно, все являются потомками одного общего предка. Распространенность интегрона повлияла на эволюцию бактерий, сделав возможным быстрый перенос генов, новых для организма, таких как гены устойчивости к антибиотикам. ^[6]

Генная инженерия

В генной инженерии генная кассета представляет собой манипулируемый фрагмент ДНК, несущий и способный экспрессировать один или несколько представляющих интерес генов между одним или несколькими наборами сайтов рестрикции . Его можно перенести из одной последовательности ДНК (обычно в векторе ) в другую, «вырезав» фрагмент с помощью ферментов рестрикции и «вставив» его обратно в новый контекст. Векторы, содержащие интересующий ген, обычно также несут ген устойчивости к антибиотикам, называемый селектируемым маркером , позволяющий легко идентифицировать клетки, которые успешно интегрировали вектор в свой геном.

Чтобы ввести вектор в целевую клетку, необходимо определить состояние компетентности клетки. Это состояние вызывают в лаборатории путем инкубации клеток с хлоридом кальция перед кратковременным тепловым шоком или путем электропорации . Это делает клетки более восприимчивыми к вставляемой плазмиде. После добавления плазмиды клетки выращивают в присутствии антибиотика, чтобы подтвердить поглощение и экспрессию новых генетических элементов.

Использование систем CRISPR/Cas9 показало успех во вставке генов в геномы эукариот. ^[7] Хотя модификация CRISPR все еще находится в зачаточном состоянии, существуют значительные доказательства ее использования в сочетании с другими методами для создания систем редактирования генома с высокой пропускной способностью (HTP). ^[8] Генная инженерия бактерий для производства различных промышленных продуктов, включая биотопливо и специальные химикаты/нутрицевтики, является основной областью исследований. ^[9]

Горизонтальный перенос генов

Горизонтальный перенос генов (HGT) — это перенос генетических элементов между клетками, не относящийся к родительскому наследованию. HGT ответственен за большую часть распространения устойчивости бактерий к антибиотикам. ^[10] Генные кассеты, содержащие гены устойчивости к антибиотикам или другие факторы вирулентности, такие как экзотоксины, могут передаваться из клетки в клетку посредством фага, трансдукции , захвата из окружающей среды, трансформации , ^[11] или путем бактериальной конъюгации. ^[12] Способность переносить кассеты генов между организмами сыграла большую роль в эволюции прокариот. Многие комменсальные организмы, такие как E. coli , регулярно содержат одну или несколько кассет генов, передающих устойчивость к антибиотикам. ^[13] Горизонтальный перенос генетических элементов от непатогенных комменсалов к неродственным видам приводит к появлению высоковирулентных патогенов, которые могут нести множественные гены устойчивости к антибиотикам. Растущая распространенность резистентности ставит сложные вопросы перед исследователями и врачами.

См. также

Кассета экспрессии

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Холл, РМ; Коллис, CM (1995). «Мобильные генные кассеты и интегроны: захват и распространение генов путем сайт-специфической рекомбинации» . Молекулярная микробиология . 15 (4): 593–600. дои : 10.1111/j.1365-2958.1995.tb02368.x . ПМИД 7783631 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Рапа РА, Лаббате М (2013). «Функция кассет генов, связанных с интегронами, у видов Vibrio: верхушка айсберга» . Границы микробиологии . 4 : 385. дои : 10.3389/fmicb.2013.00385 . ПМЦ 3856429 . ПМИД 24367362 .
^ Коллис, CM; Холл, РМ (1 января 1995 г.). «Экспрессия генов устойчивости к антибиотикам в интегрированных кассетах интегронов» . Антимикробные средства и химиотерапия . 39 (1): 155–162. дои : 10.1128/aac.39.1.155 . ISSN 0066-4804 . ПМК 162502 . ПМИД 7695299 .
^ Коллис, Кристина М.; Холл, Рут М. (1 октября 1992 г.). «Генные кассеты из области вставки интегронов вырезаются в виде ковалентно замкнутых кругов». Молекулярная микробиология . 6 (19): 2875–2885. дои : 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01467.x . ISSN 1365-2958 . ПМИД 1331702 . S2CID 24986780 .
^ Холл, РМ; Брукс, Делавэр; Стоукс, HW (1 августа 1991 г.). «Сайт-специфическая вставка генов в интегроны: роль 59-основного элемента и определение точки рекомбинационного перехода». Молекулярная микробиология . 5 (8): 1941–1959. дои : 10.1111/j.1365-2958.1991.tb00817.x . ISSN 0950-382X . ПМИД 1662753 . S2CID 23447071 .
^ Жиллингс, Майкл (январь 2017 г.). «Интегроны класса 1 как инвазивные виды». Современное мнение в микробиологии . 38 : 10–15. дои : 10.1016/j.mib.2017.03.002 . ПМИД 28414952 .
^ Институт Броуда
^ Аида, Томоми, Сакума, Тецуши; Оиси, Аю; Исикубо, Харуми; Айзава, Хиденори (01.01.2016) . Клетки и зиготы млекопитающих с помощью улучшенного MMEJ» BMC Genomics . 17 (1): 979. doi : / s12864-016-3331-9 ISSN 1471-2164 . PMC 5126809 . « 10.1186 .
^ Чакраборти, Дебкумар; Гупта, Гаганджот; Каур, Бальджиндер (01 декабря 2016 г.). «Метаболическая инженерия E. coli top 10 для производства ванилина посредством катаболического пути ЖК и оптимизация биопроцесса с использованием RSM». Экспрессия и очистка белков . 128 : 123–133. дои : 10.1016/j.pep.2016.08.015 . ПМИД 27591788 .
^ Джайлс, К.; Бурлин, П. (01 марта 2014 г.). «Горизонтально переносимые генетические элементы и их роль в патогенезе бактериальных заболеваний» . Ветеринарная патология . 51 (2): 328–340. дои : 10.1177/0300985813511131 . ISSN 1544-2217 . ПМИД 24318976 . S2CID 206510894 .
^ Домингес, Сара; Хармс, Клаус; Фрике, В. Флориан; Джонсен, Пол Дж.; Сильва, Габриэла Х. да; Нильсен, Кааре Магне (2 августа 2012 г.). «Естественная трансформация облегчает перенос транспозонов, интегранов и кассет генов между видами бактерий» . ПЛОС Патогены . 8 (8): e1002837. дои : 10.1371/journal.ppat.1002837 . ISSN 1553-7374 . ПМЦ 3410848 . ПМИД 22876180 .
^ Сан, Дж. (1 августа 2010 г.). «Оригинальная статья: Характеристика двух новых генных кассет, Dfra27 и Aada16, в изоляте холерного вибриона, отличного от O1 и O139, из Китая» . Клиническая микробиология и инфекции . 16 (8): 1125–1129. дои : 10.1111/j.1469-0691.2009.03060.x . ПМИД 19906273 .
^ Хейри, Рухолла; Ахтари, Лейли (01 января 2016 г.). «Устойчивость к противомикробным препаратам и кассеты генов интегронов у комменсальной Escherichia coli из источников человека и животных в IRI» . Кишечные патогены . 8 (1): 40. дои : 10.1186/s13099-016-0123-3 . ISSN 1757-4749 . ПМК 5006490 . ПМИД 27582900 .

Стоукс, HW; и др. (ноябрь 1997 г.). «Структура и функция сайтов рекомбинации 59-основных элементов, связанных с кассетами мобильных генов» . Мол Микробиол . 26 (4): 731–45. дои : 10.1046/j.1365-2958.1997.6091980.x . ПМИД 9427403 .
Партридж, С; Цафнат, Г; Койера, Э; Иределл, Дж (2009). «Генные кассеты и кассетные массивы в мобильных резистентных интегронах». Обзоры микробиологии FEMS . 33 (4): 757–784. дои : 10.1111/j.1574-6976.2009.00175.x . ПМИД 19416365 .

Внешние ссылки

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б Холл, РМ; Коллис, CM (1995). «Мобильные генные кассеты и интегроны: захват и распространение генов путем сайт-специфической рекомбинации» . Молекулярная микробиология . 15 (4): 593–600. дои : 10.1111/j.1365-2958.1995.tb02368.x . ПМИД 7783631 .

[pmid24367362-2] Перейти обратно: ^а ^б Рапа РА, Лаббате М (2013). «Функция кассет генов, связанных с интегронами, у видов Vibrio: верхушка айсберга» . Границы микробиологии . 4 : 385. дои : 10.3389/fmicb.2013.00385 . ПМЦ 3856429 . ПМИД 24367362 .

[3] Коллис, CM; Холл, РМ (1 января 1995 г.). «Экспрессия генов устойчивости к антибиотикам в интегрированных кассетах интегронов» . Антимикробные средства и химиотерапия . 39 (1): 155–162. дои : 10.1128/aac.39.1.155 . ISSN 0066-4804 . ПМК 162502 . ПМИД 7695299 .

[4] Коллис, Кристина М.; Холл, Рут М. (1 октября 1992 г.). «Генные кассеты из области вставки интегронов вырезаются в виде ковалентно замкнутых кругов». Молекулярная микробиология . 6 (19): 2875–2885. дои : 10.1111/j.1365-2958.1992.tb01467.x . ISSN 1365-2958 . ПМИД 1331702 . S2CID 24986780 .

[5] Холл, РМ; Брукс, Делавэр; Стоукс, HW (1 августа 1991 г.). «Сайт-специфическая вставка генов в интегроны: роль 59-основного элемента и определение точки рекомбинационного перехода». Молекулярная микробиология . 5 (8): 1941–1959. дои : 10.1111/j.1365-2958.1991.tb00817.x . ISSN 0950-382X . ПМИД 1662753 . S2CID 23447071 .

[6] Жиллингс, Майкл (январь 2017 г.). «Интегроны класса 1 как инвазивные виды». Современное мнение в микробиологии . 38 : 10–15. дои : 10.1016/j.mib.2017.03.002 . ПМИД 28414952 .

[7] Институт Броуда

[8] Аида, Томоми, Сакума, Тецуши; Оиси, Аю; Исикубо, Харуми; Айзава, Хиденори (01.01.2016) . Клетки и зиготы млекопитающих с помощью улучшенного MMEJ» BMC Genomics . 17 (1): 979. doi : / s12864-016-3331-9 ISSN 1471-2164 . PMC 5126809 . « 10.1186 .

[9] Чакраборти, Дебкумар; Гупта, Гаганджот; Каур, Бальджиндер (01 декабря 2016 г.). «Метаболическая инженерия E. coli top 10 для производства ванилина посредством катаболического пути ЖК и оптимизация биопроцесса с использованием RSM». Экспрессия и очистка белков . 128 : 123–133. дои : 10.1016/j.pep.2016.08.015 . ПМИД 27591788 .

[10] Джайлс, К.; Бурлин, П. (01 марта 2014 г.). «Горизонтально переносимые генетические элементы и их роль в патогенезе бактериальных заболеваний» . Ветеринарная патология . 51 (2): 328–340. дои : 10.1177/0300985813511131 . ISSN 1544-2217 . ПМИД 24318976 . S2CID 206510894 .

[11] Домингес, Сара; Хармс, Клаус; Фрике, В. Флориан; Джонсен, Пол Дж.; Сильва, Габриэла Х. да; Нильсен, Кааре Магне (2 августа 2012 г.). «Естественная трансформация облегчает перенос транспозонов, интегранов и кассет генов между видами бактерий» . ПЛОС Патогены . 8 (8): e1002837. дои : 10.1371/journal.ppat.1002837 . ISSN 1553-7374 . ПМЦ 3410848 . ПМИД 22876180 .

[12] Сан, Дж. (1 августа 2010 г.). «Оригинальная статья: Характеристика двух новых генных кассет, Dfra27 и Aada16, в изоляте холерного вибриона, отличного от O1 и O139, из Китая» . Клиническая микробиология и инфекции . 16 (8): 1125–1129. дои : 10.1111/j.1469-0691.2009.03060.x . ПМИД 19906273 .

[13] Хейри, Рухолла; Ахтари, Лейли (01 января 2016 г.). «Устойчивость к противомикробным препаратам и кассеты генов интегронов у комменсальной Escherichia coli из источников человека и животных в IRI» . Кишечные патогены . 8 (1): 40. дои : 10.1186/s13099-016-0123-3 . ISSN 1757-4749 . ПМК 5006490 . ПМИД 27582900 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]