การถ่ายทอดยีนในแนวราบ

การถ่ายทอดยีนในแนวราบคือการเคลื่อนย้ายสารพันธุกรรมระหว่างแบคทีเรียด้วยวิธีอื่นนอกเหนือจากการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากพ่อแม่สู่ลูกหลาน ด้วยกระบวนการทรานส์ฟอร์เมชัน (transformation) ทรานส์ดักชัน (transduction) และคอนจูเกชัน (conjugation) แบคทีเรียสามารถรับยีนทั้งหมดหรือกลุ่มยีนจากเซลล์ที่ไม่เกี่ยวข้อง ทำให้พวกมันสามารถได้รับลักษณะใหม่ๆ เช่น การดื้อยาปฏิชีวนะ หรือความรุนแรงของเชื้อโรค ได้เร็วกว่าการกลายพันธุ์เพียงอย่างเดียวจะทำได้มาก

Definition

การถ่ายทอดยีนในแนวราบ (horizontal หรือ lateral gene transfer) คือการที่แบคทีเรียได้รับสารพันธุกรรมจากเซลล์อื่นด้วยวิธีอื่นนอกเหนือจากการถ่ายทอดทางพันธุกรรมในแนวตั้ง โดยหลักๆ แล้วผ่านกระบวนการทรานส์ฟอร์เมชัน ทรานส์ดักชัน หรือคอนจูเกชัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเส้นทางการถ่ายทอดยีนของแบคทีเรียแบบดั้งเดิมทั้งสามวิธี องค์ประกอบเคลื่อนที่ที่ทำหน้าที่เป็นสื่อกลาง อุปสรรคที่จำกัดการถ่ายทอด และผลกระทบทางวิวัฒนาการของการได้รับดีเอ็นเอจากภายนอก เนื้อหานี้จะนำเสนอในฐานะข้อมูลอ้างอิงเชิงกลไกและวิวัฒนาการ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• กลไกหลักที่ดีเอ็นเอเคลื่อนที่ในแนวราบระหว่างแบคทีเรียมีอะไรบ้าง?
• องค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่ใดที่นำพายีนระหว่างเซลล์?
• อุปสรรคใดที่จำกัดการรับและการรวมดีเอ็นเอจากภายนอกอย่างเสถียร?
• การถ่ายโอนในแนวราบมีผลต่อวิวัฒนาการของแบคทีเรียและการแพร่กระจายของการดื้อยาอย่างไร?

Key concepts

• ทรานส์ฟอร์เมชัน (การรับดีเอ็นเออิสระ)
• ทรานส์ดักชัน (การถ่ายโอนผ่านฟาจ)
• คอนจูเกชัน (การถ่ายโอนระหว่างเซลล์)
• องค์ประกอบทางพันธุกรรมเคลื่อนที่
• องค์ประกอบอินทิเกรทีฟและคอนจูเกทีฟ
• พลาสมิดคอนจูเกทีฟ
• อุปสรรคต่อการถ่ายโอน (การจำกัด-ดัดแปลง, CRISPR)
• ความยืดหยุ่นและนวัตกรรมของจีโนม

Mechanisms

การถ่ายทอดยีนในแนวราบดำเนินไปตามเส้นทางดั้งเดิมสามเส้นทาง ซึ่งได้รับการทบทวนโดย Thomas และ Nielsen ในกระบวนการทรานส์ฟอร์เมชัน เซลล์ที่มีความสามารถจะรับดีเอ็นเออิสระจากสิ่งแวดล้อม ในกระบวนการทรานส์ดักชัน แบคเทอริโอฟาจจะบรรจุและส่งดีเอ็นเอของแบคทีเรียเข้าสู่โฮสต์ใหม่ ในกระบวนการคอนจูเกชัน ดีเอ็นเอจะถูกถ่ายโอนโดยตรงจากผู้ให้ไปยังผู้รับผ่านการสัมผัสระหว่างเซลล์ ซึ่งมักจะขับเคลื่อนโดยพลาสมิดคอนจูเกทีฟ (conjugative plasmids) และองค์ประกอบอินทิเกรทีฟและคอนจูเกทีฟ (integrative and conjugative elements) ดังที่อธิบายโดย Smillie และคณะ และโดย Wozniak และ Waldor ดีเอ็นเอที่ได้รับมาจะต้องหลีกเลี่ยงอุปสรรคของโฮสต์ ซึ่งรวมถึงระบบการจำกัด-ดัดแปลง (restriction-modification systems) และระบบป้องกัน CRISPR และต้องคงอยู่ได้อย่างเสถียร ไม่ว่าจะโดยการรวมเข้ากับโครโมโซมหรือเป็นรีพลิคอนอิสระ Ochman และคณะแย้งว่าการถ่ายโอนโมดูลการทำงานที่ประกอบสำเร็จแล้วเช่นนี้เป็นแหล่งสำคัญของนวัตกรรมของแบคทีเรีย และอธิบายความหลากหลายของเนื้อหายีนจำนวนมากที่พบในจีโนมต่างๆ

Clinical relevance

การถ่ายทอดยีนในแนวราบเป็นกลไกหลักที่ยีนดื้อยาต้านจุลชีพและยีนก่อโรคแพร่กระจายในหมู่แบคทีเรีย รวมถึงระหว่างสปีชีส์ ซึ่งทำให้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจการเกิดขึ้นของเชื้อโรคที่ดื้อยา ข้อมูลนี้อธิบายกลไกและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจทางคลินิก

History

การทดลองทรานส์ฟอร์เมชันของ Griffith และการระบุดีเอ็นเอว่าเป็นหลักการทรานส์ฟอร์มในภายหลัง ได้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าแบคทีเรียสามารถได้รับลักษณะทางพันธุกรรมจากเซลล์อื่น การค้นพบคอนจูเกชันและทรานส์ดักชันทำให้เส้นทางการถ่ายโอนครบทั้งสามวิธี และจีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบ ซึ่งสังเคราะห์โดย Ochman และคณะ ได้ยืนยันว่าการถ่ายโอนในแนวราบเป็นแรงสำคัญที่กำหนดจีโนมของแบคทีเรีย

Debates

วิวัฒนาการของแบคทีเรียส่วนใหญ่ขับเคลื่อนโดยการถ่ายโอนในแนวราบเทียบกับการสืบทอดในแนวตั้งมากน้อยเพียงใด?

จีโนมิกส์เชิงเปรียบเทียบแสดงให้เห็นการได้รับยีนอย่างกว้างขวางในสายเลือดต่างๆ ทำให้เกิดคำถามว่า 'แผนภูมิต้นไม้แห่งชีวิต' เพียงต้นเดียวสามารถแสดงความสัมพันธ์ของแบคทีเรียได้อย่างน่าเชื่อถือเพียงใด เมื่อส่วนใหญ่ของจีโนมสามารถได้รับมาในแนวราบ

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

แบคทีเรียถ่ายโอนยีนในแนวราบด้วยวิธีหลักสามวิธีใดบ้าง?

ทรานส์ฟอร์เมชัน (การรับดีเอ็นเออิสระจากสิ่งแวดล้อม), ทรานส์ดักชัน (การถ่ายโอนที่นำพาโดยแบคเทอริโอฟาจ) และคอนจูเกชัน (การถ่ายโอนโดยตรงระหว่างเซลล์ที่สัมผัสกัน โดยปกติผ่านพลาสมิดหรือองค์ประกอบคอนจูเกทีฟ)

การถ่ายโอนยีนในแนวราบมีความสำคัญต่อการดื้อยาปฏิชีวนะอย่างไร?

ช่วยให้ยีนดื้อยาสามารถเคลื่อนที่ระหว่างแบคทีเรีย รวมถึงข้ามสปีชีส์ได้ ดังนั้นลักษณะการดื้อยาที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตหนึ่งสามารถแพร่กระจายได้อย่างกว้างขวางโดยไม่ต้องสืบทอดผ่านการแบ่งเซลล์เท่านั้น