Chuyển gen ngang

Chuyển gen ngang là sự di chuyển vật liệu di truyền giữa các vi khuẩn theo cách khác ngoài sự kế thừa từ cha mẹ sang con cái. Thông qua biến nạp, tải nạp và tiếp hợp, vi khuẩn có thể thu nhận toàn bộ gen hoặc cụm gen từ các tế bào không liên quan, giúp chúng có được những đặc điểm mới, chẳng hạn như kháng kháng sinh hoặc độc lực, nhanh hơn nhiều so với chỉ đột biến.

Definition

Chuyển gen ngang (hoặc chuyển gen bên) là sự thu nhận vật liệu di truyền của vi khuẩn từ một tế bào khác theo một con đường khác ngoài sự kế thừa dọc, chủ yếu thông qua biến nạp, tải nạp hoặc tiếp hợp.

Scope

Chủ đề này bao gồm ba con đường cổ điển của chuyển gen vi khuẩn, các yếu tố di động làm trung gian cho chúng, các rào cản hạn chế sự chuyển gen và các hậu quả tiến hóa của việc thu nhận DNA ngoại lai. Nó xử lý chủ đề như một tài liệu tham khảo về cơ chế và tiến hóa, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Các cơ chế chính mà DNA di chuyển ngang giữa các vi khuẩn là gì?
• Những yếu tố di truyền di động nào mang gen giữa các tế bào?
• Những rào cản nào hạn chế sự hấp thu và kết hợp ổn định của DNA ngoại lai?
• Chuyển gen ngang định hình sự tiến hóa của vi khuẩn và sự lây lan của kháng thuốc như thế nào?

Key concepts

• Biến nạp (hấp thu DNA tự do)
• Tải nạp (chuyển gen qua trung gian thực khuẩn thể)
• Tiếp hợp (chuyển gen từ tế bào sang tế bào)
• Các yếu tố di truyền di động
• Các yếu tố tích hợp và tiếp hợp
• Plasmid tiếp hợp
• Các rào cản đối với chuyển gen (hạn chế-biến đổi, CRISPR)
• Tính dẻo và đổi mới của bộ gen

Mechanisms

Chuyển gen ngang diễn ra theo ba con đường cổ điển, được Thomas và Nielsen tổng quan. Trong biến nạp, một tế bào có khả năng hấp thụ DNA tự do từ môi trường của nó. Trong tải nạp, một thực khuẩn thể đóng gói và đưa DNA vi khuẩn vào một vật chủ mới. Trong tiếp hợp, DNA được chuyển trực tiếp từ tế bào cho sang tế bào nhận thông qua tiếp xúc tế bào-tế bào, thường được thúc đẩy bởi các plasmid tiếp hợp và các yếu tố tích hợp và tiếp hợp, như được mô tả bởi Smillie và các cộng sự và bởi Wozniak và Waldor. DNA thu nhận sau đó phải tránh các rào cản của vật chủ, bao gồm hệ thống hạn chế-biến đổi và hệ thống phòng thủ CRISPR, và được duy trì ổn định, bằng cách tái tổ hợp vào nhiễm sắc thể hoặc dưới dạng một replicon tự trị. Ochman và các cộng sự đã lập luận rằng việc chuyển các mô-đun chức năng được lắp ráp sẵn như vậy là một nguồn đổi mới chính của vi khuẩn và giải thích phần lớn sự biến đổi nội dung gen được thấy trên các bộ gen.

Clinical relevance

Chuyển gen ngang là một cơ chế chính mà qua đó các gen kháng kháng sinh và gen độc lực lây lan giữa các vi khuẩn, bao gồm cả giữa các loài, điều này làm cho nó trở thành trung tâm để hiểu sự xuất hiện của các mầm bệnh kháng thuốc. Mục này giải thích các cơ chế và không phải là cơ sở cho các quyết định lâm sàng.

History

Các thí nghiệm biến nạp của Griffith và việc xác định sau đó DNA là nguyên tắc biến nạp lần đầu tiên chứng minh rằng vi khuẩn có thể thu nhận các đặc điểm di truyền từ các tế bào khác. Việc phát hiện ra tiếp hợp và tải nạp đã hoàn thành bộ ba con đường chuyển gen, và bộ gen học so sánh, được Ochman và các cộng sự tổng hợp, đã thiết lập chuyển gen ngang như một lực lượng phổ biến định hình bộ gen vi khuẩn.

Debates

Bao nhiêu phần trăm sự tiến hóa của vi khuẩn được thúc đẩy bởi chuyển gen ngang so với sự kế thừa dọc?

Bộ gen học so sánh cho thấy sự thu nhận gen rộng rãi trên các dòng dõi, đặt ra câu hỏi về độ tin cậy của một 'cây sự sống' duy nhất nắm bắt các mối quan hệ của vi khuẩn khi các phần lớn của bộ gen có thể được thu nhận theo chiều ngang.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Ba cách chính mà vi khuẩn chuyển gen theo chiều ngang là gì?

Biến nạp (hấp thu DNA tự do từ môi trường), tải nạp (chuyển gen do thực khuẩn thể mang) và tiếp hợp (chuyển gen trực tiếp giữa các tế bào tiếp xúc, thường thông qua plasmid hoặc yếu tố tiếp hợp).

Tại sao chuyển gen ngang lại quan trọng đối với kháng kháng sinh?

Nó cho phép các gen kháng thuốc di chuyển giữa các vi khuẩn, bao gồm cả giữa các loài, do đó một đặc điểm kháng thuốc xuất hiện ở một sinh vật có thể lây lan rộng rãi mà không chỉ được kế thừa thông qua phân chia tế bào.