HORISONTAALINEN GEENINSIIRTO: MEKANISMIT JA ESIMERKIT - BIOLOGIA - 2024

Horisontaalinen geenisiirto tai sivusuunnassa geeninsiirron on vaihto geneettisen materiaalin organismien välillä, joka ei esiinny perheissä. Tämä tapahtuma tapahtuu saman sukupolven yksilöiden välillä ja voi tapahtua yksisoluisissa tai monisoluisissa olennoissa.

Vaakasuora siirto tapahtuu kolmen päämekanismin kautta: konjugaatio, transformaatio ja transduktio. Ensimmäisessä tyypissä pitkien DNA-fragmenttien vaihto on mahdollista, kun taas kahden viimeisen välillä siirto on rajoitettu geneettisen materiaalin pieniin segmentteihin.

Bakteeri. THG on yleinen näissä organismeissa. Lähde pixabay.com

Päinvastainen käsite on vertikaalinen geeninsiirto, jossa geneettinen tieto siirtyy organismista jälkeläisiin. Tämä prosessi on yleinen eukaryooteissa, kuten kasveissa ja eläimissä. Sitä vastoin horisontaalinen siirtyminen on yleistä mikro-organismeissa.

Eukaryooteissa horisontaalinen siirto ei ole yhtä yleistä. On kuitenkin todisteita tämän ilmiön vaihdosta, mukaan lukien ihmisten esi-isät, jotka saivat tiettyjä geenejä virusten kautta.

Mikä on horisontaalinen geeninsiirto?

Lisääntymisen aikana eukaryoottiset organismit siirtävät geeninsä sukupolvelta jälkeläisilleen (lapsille) prosessissa, jota kutsutaan vertikaaliseksi geenisiirtoksi. Prokaryootit suorittavat myös tämän vaiheen, mutta epäseksuaalisen lisääntymisen kautta fission tai muiden mekanismien avulla.

Prokaryooteissa on kuitenkin toinen tapa vaihtaa geenimateriaalia, jota kutsutaan horisontaaliseksi geeninsiirtoksi. Tässä DNA-fragmentit vaihdetaan saman sukupolven organismien välillä ja voivat siirtyä lajista toiseen.

Horisontaalinen siirto on suhteellisen yleistä bakteereissa. Otetaan esimerkki geeneistä, jotka aiheuttavat vastustuskykyä antibiooteille. Nämä tärkeät DNA-fragmentit siirretään normaalisti eri lajien bakteerien välillä.

Nämä mekanismit sisältävät merkittäviä lääketieteellisiä komplikaatioita infektioiden hoidossa.

mekanismit

On olemassa kolme perustavanlaatuista mekanismia, joilla DNA voidaan vaihtaa horisontaalisen siirron avulla. Nämä ovat konjugaatiota, transformaatiota ja transduktiota.

konjugaatio

Geeninsiirto konjugoinnin avulla on ainoa tyyppi, johon liittyy suora kosketus kahden bakteerin välillä.

Sitä ei kuitenkaan pitäisi verrata sukupuolisen lisääntymisen kautta tapahtuvaan geeninvaihtoon (jossa mukana olevat organismit ovat yleensä yhteydessä), koska prosessi on hyvin erilainen. Suurimpia eroja on meioosin puuttuminen.

Konjugaation aikana geneettisen materiaalin siirtyminen bakteerista toiseen tapahtuu fyysisen kosketuksen kautta, jonka muodostaa pili-niminen rakenne. Tämä toimii yhdistävänä silta, jossa vaihto tapahtuu.

Vaikka bakteerit eivät eroa sukupuolesta, organismi, jolla on pieni pyöreä DNA, nimeltään tekijä F (hedelmällisyys f), tunnetaan nimellä "uros". Nämä solut ovat luovuttajia konjugoinnin aikana, kuljettaen materiaalia toiseen soluun, josta puuttuu tekijä.

Tekijä F DNA koostuu noin 40 geenistä, jotka säätelevät seksuaalisen tekijän replikaatiota ja seksuaalisten pilien synteesiä.

Ensimmäiset todisteet konjugaatioprosessista ovat peräisin Lederbergin ja Tatumin kokeista, mutta juuri Bernard Davis osoitti lopulta, että kosketus oli välttämätöntä siirtoon.

muutos

Transformaatio sisältää paljaan DNA-molekyylin ottamisen, joka löytyy ympäristöstä lähellä isäntäbakteereita. Tämä DNA-pala tulee toisesta bakteerista.

Prosessi voidaan suorittaa luonnollisesti, koska bakteeripopulaatiot yleensä muuttuvat. Samoin muutosta voidaan simuloida laboratoriossa pakottaaksesi bakteerit ottamaan mielenkiinnon kohteena olevan DNA: n, joka löytyy ulkopuolelta.

Teoriassa voidaan ottaa mikä tahansa DNA-kappale. Prosessin on kuitenkin havaittu liittyvän pieniin molekyyleihin.

transduktio

Lopuksi, transduktiomekanismi tapahtuu faagin (viruksen) avulla, joka kuljettaa DNA: ta luovuttajabakteerista vastaanottajalle. Kuten edellisessä tapauksessa, siirretyn DNA: n määrä on suhteellisen pieni, koska viruksen kyky kantaa DNA: ta on rajoitettu.

Yleensä tämä mekanismi rajoittuu bakteereihin, jotka ovat fylogeneettisesti lähellä, koska viruksen, joka kantaa DNA: ta, täytyy sitoutua bakteerien spesifisiin reseptoreihin materiaalin injektoimiseksi.

esimerkit

Endonukleaasit ovat entsyymejä, joilla on kyky hajottaa fosfodiesterisidoksia polynukleotidiketjussa sisältäpäin - siksi ne tunnetaan nimellä "endo". Nämä entsyymit eivät leikkaudu mihinkään, niillä on erityiset kohdat niin kutsuttuihin restriktiopaikkoihin.

EcoRI-entsyymien (E. colissa) ja RSRI: n (Rhodobacter sphaeroides) aminohapposekvensseillä on lähes 300 aminohappotähteen sekvenssi, jotka ovat 50% identtisiä toistensa kanssa, mikä viittaa selvästi läheiseen evoluutioyhteyteen.

Muiden molekyyli- ja biokemiallisten ominaisuuksien tutkimuksen ansiosta nämä kaksi bakteeria ovat kuitenkin hyvin erilaisia ​​ja liittyvät hyvin vähän fylogeneettisestä näkökulmasta.

Lisäksi geeni, joka koodaa EcoRI-entsyymiä, käyttää hyvin spesifisiä kodoneja, jotka eroavat niistä, joita E. coli tavallisesti käyttää, joten epäillään, että geeni ei ollut peräisin tästä bakteerista.

Horisontaalinen geeninsiirto evoluutiossa

Vuonna 1859 brittiläinen luonnontieteilijä Charles Darwin mullisti biologiset tieteet evoluutioteorialla luonnollisen valinnan kautta. Darwin ehdottaa ikonisessa kirjassaan Lajien alkuperä, elämänpuun metafooria kuvaamaan lajien välisiä sukututkimussuhteita.

Nykyään fylogeniat edustavat muodollisesti tätä metaforia, jossa oletetaan, että geneettisen tiedon siirto tapahtuu pystysuoraan - vanhemmilta lapsille.

Voimme soveltaa tätä näkemystä ilman suuria haittoja monisoluisissa organismeissa ja saamme haarautuneen mallin, kuten Darwin ehdottaa.

Tätä oksien esittämistä ilman fuusioita on kuitenkin vaikea soveltaa mikro-organismeihin. Kun verrataan eri prokaryoottien genomeja, on selvää, että sukupolvien välillä on laaja geeninsiirto.

Siksi suhdemalli muistuttaa enemmän verkkoa, jossa haarat on kytketty ja sulautettu yhteen horisontaalisen geeninsiirron valossa.

Viitteet

1. Gogarten, JP, ja Townsend, JP (2005). Horisontaalinen geeninsiirto, genomi-innovaatio ja evoluutio. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, ja Palmer, JD (2008). Horisontaalinen geeninsiirto eukaryoottisessa evoluutiossa. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetiikka: Käsitteellinen lähestymistapa. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P., ja McMillan, B. (2013). Biologia: Dynaaminen tiede. Nelson koulutus.
5. Sumbali, G., ja Mehrotra, RS (2009). Mikrobiologian periaatteet. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., ja Kado, CI (2001). Horisontaalinen geeninsiirto. Academic Press.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Johdatus mikrobiologiaan. Panamerican Medical Ed.