انتقال الجينات الأفقي

انتقال الجينات الأفقي هو حركة المادة الوراثية بين البكتيريا بطرق أخرى غير الوراثة من الوالدين إلى النسل. من خلال التحول (transformation) والتحويل (transduction) والاقتران (conjugation)، يمكن للبكتيريا أن تكتسب جينات كاملة أو مجموعات جينية من خلايا غير مرتبطة بها، مما يمكنها من اكتساب سمات جديدة، مثل مقاومة المضادات الحيوية أو الضراوة، بوتيرة أسرع بكثير مما تسمح به الطفرة وحدها.

Definition

انتقال الجينات الأفقي (أو الجانبي) هو اكتساب البكتيريا للمادة الوراثية من خلية أخرى بطريقة غير الوراثة العمودية، وذلك بشكل رئيسي من خلال التحول أو التحويل أو الاقتران.

Scope

يغطي هذا الموضوع الطرق الكلاسيكية الثلاث لانتقال الجينات البكتيرية، والعناصر المتنقلة التي تتوسطها، والحواجز التي تحد من الانتقال، والعواقب التطورية لاكتساب الحمض النووي الغريب. يعالج الموضوع كمرجع ميكانيكي وتطوري، وليس كإرشاد سريري.

Core questions

• ما هي الآليات الرئيسية التي ينتقل بها الحمض النووي أفقيًا بين البكتيريا؟
• ما هي العناصر الوراثية المتنقلة التي تحمل الجينات بين الخلايا؟
• ما هي الحواجز التي تقيد امتصاص الحمض النووي الغريب ودمجه بشكل مستقر؟
• كيف يشكل الانتقال الأفقي تطور البكتيريا وانتشار المقاومة؟

Key concepts

• التحول (امتصاص الحمض النووي الحر)
• التحويل (الانتقال بوساطة العاثيات)
• الاقتران (الانتقال من خلية إلى خلية)
• العناصر الوراثية المتنقلة
• العناصر الاندماجية والاقترانية
• البلازميدات الاقترانية
• حواجز الانتقال (التقييد والتعديل، CRISPR)
• مرونة الجينوم والابتكار

Mechanisms

يتم انتقال الجينات الأفقي بثلاث طرق كلاسيكية، كما استعرضها توماس ونيلسن. في التحول، تمتص الخلية الكفؤة الحمض النووي الحر من بيئتها. في التحويل، يقوم العاثية (bacteriophage) بتعبئة الحمض النووي البكتيري وتسليمه إلى مضيف جديد. في الاقتران، يتم نقل الحمض النووي مباشرة من خلية مانحة إلى خلية مستقبلة من خلال الاتصال المباشر بين الخلايا، وعادة ما يتم ذلك بواسطة البلازميدات الاقترانية (conjugative plasmids) والعناصر الاندماجية والاقترانية (integrative and conjugative elements)، كما وصفها سميلي وزملاؤه ووزنياك ووالدور. يجب على الحمض النووي المكتسب بعد ذلك التغلب على حواجز المضيف، بما في ذلك أنظمة التقييد والتعديل (restriction-modification systems) ودفاعات CRISPR، وأن يصبح مستقرًا، إما عن طريق إعادة التركيب في الكروموسوم أو كنسخة ذاتية التكاثر (autonomous replicon). جادل أوكمان وزملاؤه بأن هذا النقل للوحدات الوظيفية المجمعة مسبقًا هو مصدر رئيسي للابتكار البكتيري ويفسر الكثير من التباين في محتوى الجينات الذي يلاحظ عبر الجينومات.

Clinical relevance

يُعد انتقال الجينات الأفقي آلية رئيسية تنتشر بها جينات مقاومة مضادات الميكروبات والضراوة بين البكتيريا، بما في ذلك بين الأنواع، مما يجعله محوريًا لفهم ظهور مسببات الأمراض المقاومة. يشرح هذا المدخل الآليات وليس أساسًا للقرارات السريرية.

History

أظهرت تجارب غريفيث للتحول، والتحديد اللاحق للحمض النووي كمبدأ التحول، لأول مرة أن البكتيريا يمكنها اكتساب سمات وراثية من خلايا أخرى. أكمل اكتشاف الاقتران والتحويل ثلاثي طرق الانتقال، وأثبتت الجينوميات المقارنة، التي قام بتجميعها أوكمان وزملاؤه، أن الانتقال الأفقي قوة سائدة تشكل الجينومات البكتيرية.

Debates

ما مدى تأثير الانتقال الأفقي على تطور البكتيريا مقارنةً بالوراثة العمودية؟

تُظهر الجينوميات المقارنة اكتسابًا واسعًا للجينات عبر السلالات، مما يثير تساؤلات حول مدى موثوقية شجرة الحياة الواحدة في التقاط العلاقات البكتيرية عندما يمكن اكتساب أجزاء كبيرة من الجينومات أفقيًا.

Key figures

• Frederick Griffith
• Joshua Lederberg
• Howard Ochman
• Matthew Waldor

Seminal works

• ochman-2000
• thomas-2005
• frost-2005

Frequently asked questions

ما هي الطرق الرئيسية الثلاث التي تنقل بها البكتيريا الجينات أفقيًا؟

التحول (امتصاص الحمض النووي الحر من البيئة)، والتحويل (النقل الذي تحمله العاثية)، والاقتران (النقل المباشر بين الخلايا المتلامسة، عادةً عبر بلازميد أو عنصر اقتراني).

لماذا يعتبر انتقال الجينات الأفقي مهمًا لمقاومة المضادات الحيوية؟

يسمح بانتقال جينات المقاومة بين البكتيريا، بما في ذلك عبر الأنواع، بحيث يمكن لسمة المقاومة التي تنشأ في كائن حي أن تنتشر على نطاق واسع دون أن تُورث فقط من خلال انقسام الخلايا.