stringtranslate.com

Передача ДНК

Ti плазмида с участком тДНК

Транспортная ДНК (сокращенно Т-ДНК ) — это перенесенная ДНК плазмиды , вызывающей опухоли (Ti) , некоторых видов бактерий, таких как Agrobacterium tumefaciens и Agrobacterium rhizogenes (фактически плазмида Ri) . Т-ДНК переносится из бактерии в ядерный геном ДНК растения-хозяина . [1] Возможности этой специализированной плазмиды, вызывающей опухоли (Ti), обусловлены двумя основными областями, необходимыми для переноса ДНК в клетку-хозяина. Т-ДНК ограничена повторами из 25 пар оснований на каждом конце. Перенос начинается на правой границе и заканчивается на левой границе и требует генов vir плазмиды Ti.

Бактериальная Т-ДНК имеет длину около 24 000 пар оснований [2] [3] и содержит экспрессируемые в растениях гены , которые кодируют ферменты , синтезирующие опины и фитогормоны . Перенося Т-ДНК в геном растения, бактерия по сути перепрограммирует растительные клетки на рост в опухоль и производство уникального источника пищи для бактерий. Синтез растительных гормонов ауксина и цитокинина ферментами, закодированными в Т-ДНК, позволяет растительной клетке разрастаться, образуя таким образом опухоли корончатого галла, обычно вызываемые инфекцией Agrobacterium tumefaciens . [4] Agrobacterium rhizogenes вызывает похожую инфекцию, известную как болезнь волосатых корней . Опины представляют собой производные аминокислот , используемые бактерией в качестве источника углерода и энергии. Этот естественный процесс горизонтального переноса генов в растениях используется в качестве инструмента для фундаментальных и прикладных исследований в области биологии растений посредством опосредованной Agrobacterium tumefaciens чужеродной генной трансформации и инсерционного мутагенеза. [5] [6] Геномы растений могут быть сконструированы с использованием Agrobacterium для доставки последовательностей, размещенных в бинарных векторах T-ДНК .

Механизм преобразования в природе

Процесс инфицирования Т-ДНК в клетку-хозяина и интеграция в ее ядро ​​включает несколько этапов. Сначала бактерии размножаются в соке раны до инфицирования, а затем прикрепляются к стенкам растительных клеток. Экспрессия генов бактериальной вирулентности приблизительно 10 оперонов активируется восприятием фенольных соединений, таких как ацетосирингон, выделяемых раненой растительной тканью, и следует за контактом между клетками. Затем этот процесс продолжается с макромолекулярной транслокацией из Agrobacterium в цитоплазму клетки-хозяина, передачей Т-ДНК вместе с ассоциированными белками (называемой Т-комплексом ) в ядро ​​клетки-хозяина с последующей разборкой Т-комплекса, стабильной интеграцией Т-ДНК в геном растения-хозяина и окончательной экспрессией перенесенных генов . Интеграция Т-ДНК в геном хозяина включает образование одноцепочечного разрыва в ДНК на правой границе плазмиды Ti. Этот надрез создает область одноцепочечной ДНК от левой границы гена T-ДНК до правой границы, которая была разрезана. Затем одноцепочечные связывающие белки прикрепляются к одноцепочечной ДНК. Синтез ДНК вытесняет одноцепочечную область, а затем второй надрез в области левой границы высвобождает одноцепочечный фрагмент T-ДНК. Далее этот фрагмент может быть включен в геном хозяина. [7]

Известно, что Agrobacterium развивает систему контроля, которая использует факторы растения-хозяина и клеточные процессы для нескольких путей защитного ответа хозяин-растение для вторжения в ядро ​​клетки-хозяина. Для интеграции T-ДНК в целевой геном хозяина Agrobacterium осуществляет множественные взаимодействия с факторами хозяин-растение. [7] Для взаимодействия с белками растения-хозяина многие белки вирулентности Agrobacterium кодируются генами vir. Экспрессия гена vir Agrobacterium происходит через сенсор VirA-VirG, что приводит к образованию мобильной одноцепочечной копии T-ДНК (T-цепи). Обработанная форма VirB2 является основным компонентом T-комплекса, который необходим для трансформации. VirD2 является белком, который закрывает 5'-конец перенесенной T-цепи ковалентным присоединением и транспортируется в цитоплазму клетки-хозяина. [8] [9] VirE2 — это одноцепочечный ДНК-связывающий белок, который, предположительно, покрывает Т-цепь в цитоплазме хозяина путем кооперативного связывания . Затем он направляется в ядро ​​посредством взаимодействия с белками клетки хозяина, такими как импортин a, бактериальный VirE3 и динеин-подобные белки. Несколько других бактериальных эффекторов вирулентности, таких как VirB5, VirB7 (второстепенные компоненты Т-комплекса), VirD5, VirE2, VirE3 и VirF, также могут взаимодействовать с белками клеток растения-хозяина. [10]

Использование в биотехнологии

Agrobacterium -опосредованный перенос T-ДНК широко используется в качестве инструмента в биотехнологии . На протяжении более двух десятилетий Agrobacterium tumefaciens использовался для введения генов в растения для фундаментальных исследований, а также для коммерческого производства трансгенных культур . [11] В генной инженерии гены, способствующие образованию опухолей и синтезу опинов, удаляются из T-ДНК и заменяются интересующим геном и/или маркером отбора, который требуется для установления того, какие растения были успешно трансформированы. Примерами маркеров отбора являются неомицинфосфотрансфераза, гигромицин Bфосфотрансфераза (которые оба фосфорилируют антибиотики) и фосфинотрицинацетилтрансфераза (которая ацетилирует и дезактивирует фосфинотрицин , мощный ингибитор глутаминсинтетазы ) или гербицидные составы, такие как Basta или Bialophos. [12] Другая система отбора, которая может быть использована, — это использование метаболических маркеров, таких как фосфоманнозоизомераза. [13] Затем Agrobacterium используется в качестве вектора для переноса сконструированной T-ДНК в растительные клетки, где она интегрируется в растительный геном. Этот метод может быть использован для создания трансгенных растений, несущих чужеродный ген. Agrobacterium tumefaciens способен эффективно переносить чужеродную ДНК как в однодольные , так и в двудольные растения, при этом учитывая критически важные факторы, такие как генотип растений, типы и возраст инокулированных тканей, вид векторов, штаммы Agrobacterium , гены маркеров селекции и селективные агенты, а также различные условия культивирования тканей. [4]

Та же процедура переноса T-ДНК может быть использована для разрушения генов посредством инсерционного мутагенеза . [6] Вставленная последовательность T-ДНК не только создает мутацию, но и ее вставка также «маркирует» [14] затронутый ген, что позволяет изолировать его в качестве фланкирующих последовательностей T-ДНК. Репортерный ген может быть связан с правым концом T-ДНК для трансформации вместе с плазмидным репликоном и селективным геном устойчивости к антибиотику (например, гигромицину ), и может проявлять приблизительно 30% средней эффективности, имея успешные инсерции T-ДНК, индуцирующие слияния генов в Arabidopsis thaliana . [15]

Обратная генетика включает в себя тестирование предполагаемой функции гена, который известен, путем его разрушения, а затем поиска эффекта этой индуцированной мутации на фенотип организма. Мутагенез с маркировкой T-ДНК включает в себя скрининг популяций с помощью инсерционных мутаций T-ДНК. Коллекции известных мутаций T-ДНК предоставляют ресурсы для изучения функций отдельных генов, как это было разработано для модельного растения Arabidopsis thaliana . [16] [17] Примеры инсерционных мутаций T-ДНК в Arabidopsis thaliana включают те, которые связаны со многими классами фенотипов, включая летальные для сеянцев, вариации размера, вариации пигмента, дефектные эмбрионы, растения с пониженной фертильностью и морфологически или физиологически аберрантные растения. [18]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гелвин, Стэнтон Б. (2017-11-27). «Интеграция T-ДНК Agrobacterium в геном растений». Annual Review of Genetics . 51 (1): 195–217. doi :10.1146/annurev-genet-120215-035320. ISSN  0066-4197. PMID  28853920.
  2. ^ Barker RF, Idler KB, Thompson DV, Kemp JD (ноябрь 1983 г.). "Нуклеотидная последовательность области тДНК из плазмиды октопина Ti A grobacterium tumefaciens pTi15955". Plant Molecular Biology . 2 (6): 335–50. doi :10.1007/BF01578595. PMID  24318453. S2CID  26118909.
  3. ^ Gielen J, Terryn N, Villarroel R, Van Montagu M (1999-08-01). "Полная нуклеотидная последовательность области тДНК плазмиды pTiC58 Agrobacterium tumefaciens Ti, вызывающей опухолевые заболевания растений". Журнал экспериментальной ботаники . 50 (337): 1421–1422. doi : 10.1093/jxb/50.337.1421 . ISSN  0022-0957.
  4. ^ ab Hiei Y, Komari T, Kubo T (сентябрь 1997 г.). «Трансформация риса, опосредованная Agrobacterium tumefaciens». Plant Molecular Biology . 35 (1–2): 205–18. doi :10.1023/a:1005847615493. PMID  9291974. S2CID  19196285.
  5. ^ Zupan JR, Zambryski P (апрель 1995). «Передача тДНК от Agrobacterium к растительной клетке». Plant Physiology . 107 (4): 1041–7. doi :10.1104/pp.107.4.1041. PMC 157234. PMID  7770515 . 
  6. ^ ab Krysan PJ, Young JC, Sussman MR (декабрь 1999 г.). "T-ДНК как инсерционный мутаген в Arabidopsis". The Plant Cell . 11 (12): 2283–90. doi :10.1105/tpc.11.12.2283. PMC 144136. PMID  10590158 . 
  7. ^ ab Lacroix B, Citovsky V (2013). «Роль факторов бактерий и растений-хозяев в генетической трансформации, опосредованной Agrobacterium». Международный журнал биологии развития . 57 (6–8): 467–81. doi : 10.1387/ijdb.130199bl . PMC 9478875. PMID  24166430 . 
  8. ^ Koukolíková-Nicola Z, Raineri D, Stephens K, Ramos C, Tinland B, Nester EW, Hohn B (февраль 1993 г.). «Генетический анализ оперона virD Agrobacterium tumefaciens: поиск функций, участвующих в транспорте T-ДНК в ядро ​​растительной клетки и в интеграции T-ДНК». Journal of Bacteriology . 175 (3): 723–31. doi :10.1128/jb.175.3.723-731.1993. PMC 196211 . PMID  8380800. 
  9. ^ Арья А (февраль 2017 г.). «Патология агробактерий и дизайн векторов на основе Ti-плазмиды». High Value Notes . 4 (1): 1–24. doi :10.13140/RG.2.2.18345.49769/1.
  10. ^ Gelvin SB (март 2003 г.). «Трансформация растений, опосредованная агробактериями: биология, стоящая за инструментом «генного жокея». Microbiology and Molecular Biology Reviews . 67 (1): 16–37, оглавление. doi :10.1128/mmbr.67.1.16-37.2003. PMC 150518. PMID 12626681  . 
  11. ^ Oltmanns H, Frame B, Lee LY, Johnson S, Li B, Wang K, Gelvin SB (март 2010 г.). «Создание растений без остова и с низким числом трансгенных копий путем запуска T-ДНК из хромосомы Agrobacterium». Plant Physiology . 152 (3): 1158–66. doi :10.1104/pp.109.148585. PMC 2832237 . PMID  20023148. 
  12. ^ Lee LY, Gelvin SB (февраль 2008 г.). «бинарные векторы и системы тДНК». Физиология растений . 146 (2): 325–32. doi :10.1104/pp.107.113001. PMC 2245830. PMID  18250230 . 
  13. ^ Тодд Р., Таг Б. В. (2001-12-01). "Фосфоманнозоизомераза: универсальный селективный маркер для трансформации зародышевой линии Arabidopsis thaliana". Plant Molecular Biology Reporter . 19 (4): 307–319. doi :10.1007/bf02772829. ISSN  0735-9640. S2CID  46196053.
  14. ^ Liu YG, Shirano Y, Fukaki H, Yanai Y, Tasaka M, Tabata S, Shibata D (май 1999). «Комплементация мутантов растений с большими фрагментами геномной ДНК с помощью компетентного в трансформации искусственного хромосомного вектора ускоряет позиционное клонирование». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (11): 6535–40. Bibcode :1999PNAS...96.6535L. doi : 10.1073/pnas.96.11.6535 . PMC 26917 . PMID  10339623. 
  15. ^ Koncz C, Martini N, Mayerhofer R, Koncz-Kalman Z, Körber H, Redei GP, Schell J (ноябрь 1989 г.). «Высокочастотное опосредованное T-ДНК маркирование генов в растениях». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (21): 8467–71. Bibcode : 1989PNAS...86.8467K. doi : 10.1073/pnas.86.21.8467 . PMC 298303. PMID  2554318 . 
  16. ^ Алонсо, Дж. М. и др. (2003). «Геномный инсерционный мутагенез Arabidopsis thaliana». Science . 301 (5633): 653–657. Bibcode :2003Sci...301..653A. doi :10.1126/science.1086391. PMID  12893945.
  17. ^ Ben-Amar A, Daldoul S, Reustle GM, Krczal G, Mliki A (декабрь 2016 г.). «Обратная генетика и высокопроизводительные методы секвенирования для функциональной геномики растений». Current Genomics . 17 (6): 460–475. doi :10.2174/1389202917666160520102827. PMC 5282599 . PMID  28217003. 
  18. ^ Фельдманн КА (1991-07-01). "Мутагенез вставок T-ДНК в Arabidopsis: мутационный спектр". The Plant Journal . 1 (1): 71–82. doi : 10.1111/j.1365-313x.1991.00071.x . ISSN  1365-313X.

Дальнейшее чтение