Horyzontalny transfer genów

(HGT – Horizontal Gene Transfer) polega na stabilnym przeniesieniu informacji genetycznej z jednego organizmu do drugiego, gdzie przekazane geny podlegają utrwaleniu w genomie.

Ten typ wymiany materiału genetycznego został dobrze poznany i dominuje głównie wśród organizmów prokariotycznych, choć są znane przypadki wymiany między komórką prokariotyczną i eukariotyczną. Jak dotąd zanotowano przeniesienie DNA z komórek bakterii rodzaju Agrobacterium do komórki roślinnej. Nieliczne doniesienia dowodzą także na transfer genów między bakterią Escherichia coli, a komórką drożdży Saccharomyces cerevisiae, opisany w 1992 roku.

Rodzaje horyzontalnego transferu genów

Typ transferu łączy się nierozerwalnie z pojęciem szerokiego zakresu gospodarzy wtedy, gdy organizm może przekazywać geny przedstawicielom różnych gatunków, a nawet rodzajów. Wąskim zakresem gospodarzy określa się transfer genów w obrębie tego samego gatunku.

Wyróżniamy 3 podstawowe rodzaje horyzontalnego transferu genów:

1. Transformacja – pobieranie DNA przez bakterie ze środowiska, dzielimy ją na naturalną i sztuczną,
2. Transdukcja – przekazywanie genów przez bakteriofagi do komórki bakteryjnej,
3. Koniugacja – przekazywanie genów przez bezpośredni kontakt komórek.

Transformacja

Transformacja naturalna

DNA przekazywany drogą transformacji naturalnej wiąże się z powierzchnią komórki bakteryjnej, gdzie jest trawiony przez enzymy i powstaje frakcja jednoniciowa DNA. Następnie DNA jest przenoszony na drodze aktywnego transportu do cytoplazmy komórki za pomocą przenośnika białkowego. Wchodzący do cytoplazmy DNA może zostać włączony do chromosomu biorcy na drodze rekombinacji homologicznej, jeśli tylko zawiera sekwencje identyczne z chromosomem biorcy. Komórki S. pneumonicae prawdopodobnie wykorzystują ten typ rekombinacji do wymiany między sobą białek odpornych na penicylinę.

Transformacja naturalna jest rzadko spotykana u bakterii żyjących w ciele człowieka i zwierząt, transformacja ta zachodzi u bakterii patogennych dla człowieka np. u S. pneumonicae lub bakterii powodujących rzeżączkę. Większą zdolnością do transformacji naturalnej wykazują mikroorganizmy wodne i glebowe. Bakterie glebowe mogą swobodnie transformować, gdyż ich DNA jest związany z cząsteczkami gleby i tym samym jest chroniony, natomiast w ciele ludzkim są obecne nukleazy, które mogą niszczyć DNA przez rozcinanie.

Transformacja sztuczna

Metoda ta wykorzystywana jest w laboratoriach, służy m.in. do klonowania. Polega ona na wystawianiu błony komórkowej bakterii na szok osmotyczny, cieplny lub na działanie pola elektrycznego o dużym napięciu, co zmusza komórkę do pobrania DNA z otoczenia. Ten rodzaj transformacji, odmiennie od naturalnej, wprowadza do komórki nienaruszony, dwuniciowy DNA w postaci plazmidu lub liniowego odcinka.

Transdukcja

Jako rodzaj transferu genów jest związany z zakażaniem komórek bakteryjnych przez bakteriofagi. Do receptorów obecnych na powierzchni komórki bakteryjnej przyczepia się fag, który może doprowadzić do infekcji litycznej bądź lizogenii. Oba te procesy łączy w sobie transdukcja ogólna. Bakteriofag łączy się z receptorami na błonie bakterii, po czym wprowadza swój DNA do jej wnętrza. Następuje replikacja DNA faga i cięcie DNA bakteryjnego na małe kawałki, cykl ten nazywany jest infekcją lityczną i może doprowadzić do śmierci komórki. Potem następuje pakowanie DNA fagowego do główek faga. Proces ten jest bardzo szybki i może się zdarzyć tak, że do główki faga wejdzie DNA bakteryjny zamiast DNA fagowego. Fag infekując kolejną komórkę bakteryjną wprowadza do niej DNA pobrany z poprzedniej już nie żyjącej komórki. W ten sposób nie może dojść do infekcji litycznej ani lizogenii, gdyż fag wniósł do ciała bakterii tylko sam bakteryjny DNA, a nie fagowy, który ma owe patologiczne właściwości.
Bakteriofagi występują powszechnie w wodzie, glebie, treści pokarmowej żwacza żołądka, co udowodniły obserwację pod mikroskopem elektronowym. Ten stan rzeczy umożliwia przekazywanie DNA w środowisku naturalnym.

Koniugacja

Jest to ścisły, bezpośredni kontakt dwóch komórek, dawcy i biorcy. Pomiędzy tymi komórkami tworzy się mostek koniugacyjny, przez który przechodzą specjalne nośniki DNA, tj. plazmidy (koniugacyjne, mobilizowalne) oraz transpozony koniugacyjne.

Plazmidy koniugacyjne

Są cząsteczkami o wielkości ok. 30 kpz i o dużej liczbie genów, które tworzą połączenia w postaci mostków koniugacyjnych i umożliwiają przekazywanie DNA. Po wytworzeniu mostka koniugacyjnego, enzymy w nim występujące nacinają cząsteczkę DNA w miejscu określanym jako origin koniugacyjny (oriT, ang. origin of transfer). Proces przekazywania DNA plazmidowego, odbywa się na przyłączeniu jednego wolnego końca DNA do mostka koniugacyjnego i przekazywaniu drugiego wolnego końca do cytoplazmy biorcy. Pojedyncze nici po stronie biorcy i dawcy zostają zreplikowane przez polimerazę DNA, następnie końce plazmidów zostają odłączone od mostka koniugacyjnego po czym następuje odtworzenie kolistej struktury plazmidów.

Plazmidy mobilizowalne

Plazmidy te nie mają zdolności do samoistnego przenoszenia informacji genetycznej, gdyż nie posiadają genów mogących tworzyć połączenia koniugacyjne. Posiadają za to geny kodujące białka przecinające plazmid w oriT. Po połączeniu swych właściwości z plazmidem koniugacyjnym mogą przenosić takie cechy jak: oporność na antybiotyki, produkowanie toksyn, kodowanie szlaków metabolicznych zdolnych do wykorzystywania np. cukru jako źródła węgla i energii.

Horyzontalny transfer genów w komórkach roślinnych

Bakteria Agrobacterium tumefaciens jest glebową bakterią gram-ujemną, która powoduje powstawanie narośli na roślinach dwuliściennych. Bakteria ta jest używana w biotechnologii do otrzymywania roślin transgenicznych na zasadzie przekazywania DNA przez komórkę bakteryjną do komórki roślinnej. Proces ten nadzorują białka komórek roślinnych oraz białka pochodzące od bakterii. Białka te kodowane są przez części plazmidowe i chromosomowe. Transferowy DNA (ang. transferred DNA, T-DNA), pochodzi z dużego plazmidu pTi (ang. tumor inducing plasmid) bakterii A. Tumefaciens lub z plazmidu pRi (ang. Root including plasmid) z Agrobacterium rhizogenes. Plazmidy te są wycinane z komórki bakteryjnej, a następnie eksportowane do komórek roślinnych, gdzie ulegają integracji.

Przez długi czas sądzono, że transformować za pomocą Agrobacterium można tylko komórki roślin dwuliściennych. Po pewnym czasie okazało się, że także i rośliny jednoliścienne. W ten sposób otrzymano transgeniczny ryż, kukurydzę, pszenicę i wiele innych jednoliściennych, a sposób integracji T-DNA jest u jednoliściennych łudząco podobny do tego z dwuliściennych co wskazywałoby na udział tej samej grupy enzymów w tym procesie. Białko VirF, jest białkiem wirulencji, a także czynnikiem determinującym zakres gospodarza (HFR, host range factor). Białko VirF łączy się dodatkowo z białkiem VirE2, oraz kompleksem VirD2-ss-T-DNA. Pozbawienie bakterii Agrobacterium białka VirF, osłabia jej wirulencję, ale może to być niwelowane przez białko obecne w infekowanej komórce. Niedawno odkryto że białko VirF zawiera domenę F poprzez którą łączy się z białkiem roślinnym homologicznym do drożdżowego białka Skp1. Domena F zawarta w obu tych białkach zawiera podjednostki ligazy ubikwitynowej, która to jest jednym z enzymów, które przeznaczają komórki do degradacji. Wnioskuje się zatem, że VirF bierze udział w proteolizie komórek we wczesnych okresach transformacji komórkowej.

Horyzontalny transfer genów w komórkach ludzkich

Pierwsze objawy oddziaływania komórek Agrobacterium na człowieka pojawiły się w środowisku szpitalnym, były one wtedy postrzegane jako bakterie nie szkodliwe dla człowieka. Jednak w 2002 roku doszło do bakteremii, czyli obecności komórek bakteryjnych we krwi, spowodowanej przez Agrobacterium radiobacter. Wszystkie te zakażenia były związane z zakładaniem cewników, wenflonów, wszczepianiem zastawek, przeszczepem szpiku kostnego. Zakażeń doznawały więc osoby o obniżonej odporności, a do zakażenia dochodziło bakterią całkowicie nie patogenną dla roślin, mianowicie Agrobacterium radiobacter. Brak patogenności, a tym samym nie przydatność do transformacji jest spowodowana brakiem plazmidu pTi. Badania nad przenoszeniem T-DNA do komórek ludzkich pokazały, że istotną role odgrywają tu kompleksy NLS i importyny. Przeprowadzone badania in vitro wykazały, import T-DNA do jąder komórek premeablilizowanych komórek HeLa zachodzi poprzez kompleksy NLS i importyn. Odkrycie to może przyczynić się do pokonania bariery transportu DNA przez błonę jądrową szczególnie w komórkach nie dzielących się, a tym samym przyczynić się do rozwoju terapii genowej.

Znaczenie medyczne

Horyzontalny transfer genów ma nieobojętny wpływ na zdrowie ludzi. Wykazano, że zjawisko to ma wpływ na oporność bakterii na antybiotyki, ewolucje bakterii chorobotwórczych. Za przykład można podać powstawanie bakterii określonej mianem "Escherichia coli zabójca"
(E. Coli O157:H7), która może doprowadzić do zespołu hemolityczno-mocznicowego. Patologiczna odmiana bakterii okrężnicy jelita grubego powstała na drodze horyzontalnego transferu genów, które to zostały pobrane przez faga z bakterii Shigella i umieszczone w genomie bakterii E. Coli.
Pozytywnym aspektem tej drogi przekazywania genów jest fakt, iż powstałe nowe odmiany bakterii mogą przyczynić się do rozkłady szkodliwych substancji i tym samym do bioremediacji miejsc zanieczyszczonych.

Źródła:
1. Alicja Ziemienowicz, Instytut Biologii Molekularnej i Biotechnologii, UJ, artykuł z pisma KOSMOS tom 51, numer 3 (256), s. 343-351
2. Abigail A. Salyers, Dixie D. Whitt, Mikrobiologia. Różnorodność, chorobotwórczość i środowisko, rozdział 7 Horyzontalne przekazywanie genów wśród bakterii.