Горизонтальный перенос генов

Горизонтальный перенос генов — это перемещение генетического материала между бактериями иным способом, нежели наследование от родителя к потомству. Посредством трансформации, трансдукции и конъюгации бактерии могут приобретать целые гены или генные кластеры от неродственных клеток, что позволяет им гораздо быстрее, чем только за счет мутаций, получать новые признаки, такие как устойчивость к антибиотикам или вирулентность.

Definition

Горизонтальный (или латеральный) перенос генов — это приобретение генетического материала бактерией от другой клетки иным путем, нежели вертикальное наследование, главным образом посредством трансформации, трансдукции или конъюгации.

Scope

Эта тема охватывает три классических пути бактериального переноса генов, мобильные элементы, которые их опосредуют, барьеры, ограничивающие перенос, и эволюционные последствия приобретения чужеродной ДНК. Она рассматривает предмет как механистический и эволюционный справочник, а не как клиническое руководство.

Core questions

• Каковы основные механизмы горизонтального перемещения ДНК между бактериями?
• Какие мобильные генетические элементы переносят гены между клетками?
• Какие барьеры ограничивают поглощение и стабильное включение чужеродной ДНК?
• Как горизонтальный перенос формирует бактериальную эволюцию и распространение резистентности?

Key concepts

• Трансформация (поглощение свободной ДНК)
• Трансдукция (фагоопосредованный перенос)
• Конъюгация (перенос от клетки к клетке)
• Мобильные генетические элементы
• Интегративные и конъюгативные элементы
• Конъюгативные плазмиды
• Барьеры для переноса (рестрикция-модификация, CRISPR)
• Пластичность и инновации генома

Mechanisms

Горизонтальный перенос генов осуществляется тремя классическими путями, рассмотренными Томасом и Нильсеном. При трансформации компетентная клетка поглощает свободную ДНК из окружающей среды. При трансдукции бактериофаг упаковывает и доставляет бактериальную ДНК в нового хозяина. При конъюгации ДНК передается непосредственно от донора к реципиенту через контакт между клетками, обычно опосредованный конъюгативными плазмидами и интегративными и конъюгативными элементами, как описано Смилли и коллегами, а также Возняком и Уолдором. Приобретенная ДНК затем должна избежать барьеров хозяина, включая рестрикционно-модификационные системы и CRISPR-защиту, и стабильно поддерживаться либо путем рекомбинации в хромосому, либо в качестве автономной репликоны. Охман и коллеги утверждали, что такой перенос предварительно собранных функциональных модулей является основным источником бактериальных инноваций и объясняет большую часть вариаций генного состава, наблюдаемых в геномах.

Clinical relevance

Горизонтальный перенос генов является основным механизмом, посредством которого гены антимикробной резистентности и вирулентности распространяются среди бактерий, в том числе между видами, что делает его центральным для понимания возникновения резистентных патогенов. Эта статья объясняет механизмы и не является основанием для принятия клинических решений.

History

Эксперименты Гриффита по трансформации и последующее определение ДНК как трансформирующего принципа впервые продемонстрировали, что бактерии могут приобретать наследуемые признаки от других клеток. Открытие конъюгации и трансдукции завершило трио путей переноса, а сравнительная геномика, обобщенная Охманом и коллегами, установила горизонтальный перенос как повсеместную силу, формирующую бактериальные геномы.

Debates

Какая часть бактериальной эволюции обусловлена горизонтальным переносом по сравнению с вертикальным наследованием?

Сравнительная геномика показывает обширное приобретение генов в различных линиях, что поднимает вопрос о том, насколько надежно одно «древо жизни» отражает бактериальные взаимосвязи, когда большие части геномов могут быть приобретены горизонтально.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Каковы три основных способа горизонтального переноса генов бактериями?

Трансформация (поглощение свободной ДНК из окружающей среды), трансдукция (перенос, осуществляемый бактериофагом) и конъюгация (прямой перенос между контактирующими клетками, обычно через конъюгативную плазмиду или элемент).

Почему горизонтальный перенос генов важен для устойчивости к антибиотикам?

Он позволяет генам устойчивости перемещаться между бактериями, в том числе между видами, так что признак устойчивости, возникший в одном организме, может широко распространяться без наследования только через клеточное деление.