В микробиологии , генетике , клеточной биологии и молекулярной биологии компетентность — это способность клетки изменять свою генетику путем поглощения внеклеточной («голой») ДНК из окружающей среды в процессе, называемом трансформацией . Компетентность можно различать между естественной компетентностью , генетически обусловленной способностью бактерий , которая, как считается, возникает как в естественных условиях, так и в лаборатории, и индуцированной или искусственной компетентностью , которая возникает, когда клетки в лабораторных культурах обрабатывают, чтобы сделать их временно проницаемыми для бактерий. ДНК. Компетентность позволяет осуществить быструю адаптацию и восстановление ДНК клетки. Эта статья в первую очередь посвящена естественной компетентности бактерий, хотя также представлена информация об искусственной компетентности.
Природная компетентность была открыта Фредериком Гриффитом в 1928 году, когда он показал, что препарат убитых клеток патогенной бактерии содержит нечто, способное трансформировать родственные непатогенные клетки в патогенные. В 1944 году Освальд Эйвери , Колин МакЛауд и Маклин Маккарти продемонстрировали, что этим «преобразующим фактором» является чистая ДНК [1] . Это было первое убедительное доказательство того, что ДНК несет генетическую информацию клетки.
С тех пор естественная компетентность была изучена у ряда различных бактерий, в частности Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae («пневмококк Гриффита»), Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae и представителей рода Acinetobacter . Области активных исследований включают механизмы транспорта ДНК, регуляцию компетентности различных бактерий и эволюционную функцию компетентности.
В лаборатории ДНК предоставляется исследователем, часто в виде генно-инженерного фрагмента или плазмиды . Во время поглощения ДНК транспортируется через клеточную мембрану(ы) и клеточную стенку , если таковая имеется. Как только ДНК попадает внутрь клетки, она может расщепляться до нуклеотидов , которые повторно используются для репликации ДНК и других метаболических функций. Альтернативно, он может быть рекомбинирован в геном клетки с помощью ферментов репарации ДНК . Если эта рекомбинация меняет генотип клетки, говорят, что клетка трансформировалась. Искусственная компетентность и трансформация используются в качестве инструментов исследования многих организмов ( см. Трансформация (генетика) ). [2]
Почти у всех естественно компетентных бактерий компоненты внеклеточных нитей, называемые пилями IV типа (тип фимбрии ), связывают внеклеточную двухцепочечную ДНК. Затем ДНК транслоцируется через мембрану (или мембраны для грамотрицательных бактерий) через многокомпонентные белковые комплексы, вызываемые деградацией одной цепи ДНК. Одноцепочечная ДНК в клетке связана с хорошо консервативным белком DprA, который загружает ДНК на RecA , что обеспечивает гомологичную рекомбинацию посредством классического пути репарации ДНК . [3]
В лабораторных культурах природная компетентность обычно жестко регулируется и часто вызывается нехваткой питания или неблагоприятными условиями. Однако специфические индуцирующие сигналы и регуляторные механизмы гораздо более изменчивы, чем механизмы поглощения, и мало что известно о регуляции компетентности этих бактерий в естественной среде обитания. [4] Были обнаружены факторы транскрипции , которые регулируют компетентность; примером является sxy (также известный как tfoX), который, как было обнаружено, в свою очередь регулируется 5'-некодирующим элементом РНК . [5] У бактерий, способных образовывать споры , условия, вызывающие споруляцию, часто совпадают с условиями, вызывающими компетентность. Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки. Недавнее исследование Süel et al. идентифицировал возбудимый основной модуль генов, который может объяснить вступление в компетентность и выход из нее, если принять во внимание клеточный шум . [6]
Считается, что большинство компетентных бактерий поглощают все молекулы ДНК с примерно одинаковой эффективностью, но бактерии семейств Neisseriaceae и Pasteurellaceae преимущественно поглощают фрагменты ДНК, содержащие короткие последовательности ДНК , называемые последовательностью поглощения ДНК (DUS) у Neisseriaceae и сигнальной последовательностью поглощения (USS). у Pasteurellaceae, которые очень часто встречаются в их собственных геномах. Геномы Neisseria содержат тысячи копий предпочтительной последовательности GCCGTCTGAA, а геномы Pasteurellacean содержат либо AAGTGCGGT, либо ACAAGCGGT. [2] [7]
Большинство предположений, касающихся основной эволюционной функции естественной компетентности как части естественной бактериальной трансформации, делятся на три категории: (1) селективное преимущество генетического разнообразия; (2) поглощение ДНК как источника нуклеотидов (ДНК как «пища»); и (3) селективное преимущество новой цепи ДНК, способствующее гомологичной рекомбинационной репарации поврежденной ДНК (восстановлению ДНК). Было также сделано вторичное предположение, отмечающее случайные преимущества горизонтального переноса генов .
Аргументы в пользу генетического разнообразия как основной эволюционной функции пола (включая бактериальную трансформацию) приводят Бартон и Чарльзуорт [8] , а также Отто и Герштейн. [9] Однако теоретические трудности, связанные с эволюцией пола, позволяют предположить, что секс для генетического разнообразия является проблематичным. В частности, что касается бактериальной трансформации, компетентность требует высокой стоимости глобального переключения синтеза белка, например, более 16 генов включаются только во время компетентности Streptococcus pneumoniae . [10] Однако, поскольку бактерии имеют тенденцию расти в клонах, ДНК, доступная для трансформации, обычно будет иметь тот же генотип, что и ДНК клеток-реципиентов. Таким образом, экспрессия белка всегда обходится дорого, без увеличения разнообразия. Другие различия между компетентностью и полом учитывались в моделях эволюции генов, обусловливающих компетентность; эти модели показали, что постулируемые рекомбинационные преимущества компетентности были еще более неуловимыми, чем преимущества секса. [11]
Вторая гипотеза — ДНК как пища — основана на том факте, что клетки, поглощающие ДНК, неизбежно приобретают нуклеотиды, из которых состоит ДНК, и, поскольку нуклеотиды необходимы для синтеза ДНК и РНК и их синтез дорог, они могут внести значительный вклад в энергетический бюджет клетки. [12] Некоторые естественно компетентные бактерии также выделяют нуклеазы в окружающую среду, и все бактерии могут поглощать свободные нуклеотиды, которые эти нуклеазы генерируют из ДНК окружающей среды. [13] Энергетика поглощения ДНК не изучена ни в одной системе, поэтому трудно сравнивать эффективность секреции нуклеазы с эффективностью поглощения ДНК и внутренней деградации. В принципе, стоимость производства нуклеаз и неопределенность восстановления нуклеотидов должны быть сбалансированы с энергией, необходимой для синтеза механизма поглощения и втягивания ДНК. Другими важными факторами являются вероятность того, что нуклеазы и компетентные клетки столкнутся с молекулами ДНК, относительная неэффективность поглощения нуклеотидов из окружающей среды и из периплазмы (где одна цепь разрушается компетентными клетками) и преимущества производства готовых к использованию нуклеотид-монофосфатов из другой цепи в цитоплазме. Другим усложняющим фактором является самопредвзятость систем поглощения ДНК видов семейства Pasteurellaceae и рода Neisseria , которая может отражать либо отбор на рекомбинацию, либо на механистически эффективное поглощение. [14] [15]
У бактерий проблема повреждения ДНК наиболее выражена в периоды стресса, особенно окислительного стресса, который возникает в условиях скученности или голодания. В таких условиях часто присутствует только одна хромосома. Открытие того, что некоторые бактерии вызывают компетентность в таких стрессовых условиях, подтверждает третью гипотезу о том, что трансформация существует, чтобы обеспечить репарацию ДНК. В экспериментальных испытаниях бактериальные клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих их ДНК, а затем претерпевшие трансформацию, выживали лучше, чем клетки, подвергшиеся повреждению ДНК и не подвергшиеся трансформации (Hoelzer and Michod, 1991). [16] Кроме того, способность подвергаться трансформации часто индуцируется известными агентами, повреждающими ДНК (обзоры Michod et al ., 2008 и Bernstein et al ., 2012). [17] [18] Таким образом, сильным краткосрочным селективным преимуществом естественной компетентности и трансформации будет ее способность способствовать гомологичной рекомбинационной репарации ДНК в условиях стресса. Такие стрессовые состояния могут возникнуть во время бактериальной инфекции восприимчивого хозяина. В соответствии с этой идеей, Li et al. [19] сообщили, что среди различных высокотрансформируемых изолятов S. pneumoniae приспособленность к назальной колонизации и вирулентность (инфекционность легких) зависят от интактной компетентностной системы.
Контраргумент был выдвинут на основе отчета Редфилда 1993 года, который обнаружил, что одноцепочечные и двухцепочечные повреждения хромосомной ДНК не индуцируют и не усиливают компетентность или трансформацию у B. subtilis или H. influenzae , предполагая, что сыграл роль отбор для репарации. незначительная роль или ее отсутствие вообще в развитии компетентности у этих видов [20]
Однако более поздние данные показывают, что способность к трансформации действительно индуцируется условиями, повреждающими ДНК. Например, Клаверис и др . в 2006 году [21] показали, что агенты, повреждающие ДНК, митомицин С (агент, сшивающий ДНК) и фторхинолон (ингибитор топоизомеразы, вызывающий двухцепочечные разрывы) вызывают трансформацию Streptococcus pneumoniae . Кроме того, Энгельмоер и Розен [22] в 2011 году продемонстрировали, что трансформация S. pneumoniae защищает от бактерицидного действия митомицина С. Индукция компетентности дополнительно защищает от антибиотиков каномицина и стрептомицина. [21] [22] Хотя эти аминогликозидные антибиотики ранее считались не повреждающими ДНК, недавние исследования Foti et al ., проведенные в 2012 году . [23] показали, что значительная часть их бактерицидной активности обусловлена высвобождением гидроксильного радикала и индукцией повреждений ДНК, в том числе двухцепочечных разрывов.
Дорер и др ., [24] в 2010 году показали, что ципрофлоксацин, который взаимодействует с ДНК-гиразой и вызывает образование двухцепочечных разрывов, индуцирует экспрессию генов компетентности в Helicobacter pylori , что приводит к усилению трансформации. В 2011 году исследования Legionella pneumophila , Charpentier et al . [25] протестировали 64 токсичные молекулы, чтобы определить, какие из них вызывают компетентность. Только шесть из этих молекул, все агенты, повреждающие ДНК, сильно индуцировали компетентность. Этими молекулами были норфлоксацин , офлоксацин и налидиксовая кислота (ингибиторы ДНК-гиразы , вызывающие двухцепочечные разрывы [26] ), митомицин С (который производит межцепочечные поперечные связи), бицикломицин (вызывает одно- и двухцепочечные разрывы [27]). ) и гидроксимочевина (вызывает окисление оснований ДНК [28] ). Шарпантье и др . [25] также показали, что УФ-облучение индуцирует компетентность у L. pneumophila , и далее предположили, что способность к трансформации развивается как ответ на повреждение ДНК.
Долгосрочное преимущество может иногда обеспечиваться случайными случаями горизонтального переноса генов , также называемого латеральным переносом генов (который может возникнуть в результате негомологичной рекомбинации после индуцирования компетентности), что может обеспечить устойчивость к антибиотикам или другие преимущества.
Независимо от характера отбора по компетентности, сложная природа бактериальных геномов предоставляет многочисленные доказательства того, что горизонтальный перенос генов, вызванный компетентностью, способствует генетическому разнообразию, которое делает возможной эволюцию.