stringtranslate.com

Природная компетентность

Естественная компетентность.
1-ДНК бактериальной клетки
2-Плазмиды бактериальной клетки
3-Половые пили
4-Плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки
5-Рестрикционный фермент бактериальной клетки
6-Раскрученная чужеродная плазмида
7-ДНК-лигаза
I: Плазмида чужеродной ДНК из мертвой клетки перехватывается половыми пилями естественно компетентной бактериальной клетки.
II: Чужеродная плазмида трансдуцируется через половые пили в бактериальную клетку, где она обрабатывается рестриктазами бактериальной клетки. Рестрикционные ферменты разрывают чужеродную плазмиду на цепь нуклеотидов, которые могут быть добавлены к бактериальной ДНК.
III: ДНК-лигаза интегрирует чужеродные нуклеотиды в ДНК бактериальной клетки.
IV: Рекомбинация завершена, и чужеродная ДНК интегрировалась в исходную ДНК бактериальной клетки и будет продолжать быть ее частью, когда бактериальная клетка будет реплицироваться в следующий раз.

В микробиологии , генетике , клеточной биологии и молекулярной биологии компетентность — это способность клетки изменять свою генетику, извлекая внеклеточную ДНК из окружающей среды посредством процесса, называемого трансформацией . Компетентность можно разделить на естественную компетентность и индуцированную или искусственную компетентность . Естественная компетентность — это генетически заданная способность бактерий , которая проявляется как в естественных условиях, так и в лабораторных условиях. Искусственная компетентность возникает, когда клетки в лабораторных культурах обрабатываются, чтобы сделать их временно проницаемыми для ДНК. Компетентность обеспечивает быструю адаптацию и восстановление ДНК клетки.

История

Естественная 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. [1] [2] В 1944 году Освальд Эвери , Колин Маклеод и Маклин Маккарти продемонстрировали, что этим «трансформирующим фактором» является чистая ДНК . [2] [3] Это было первое убедительное доказательство того, что ДНК несет генетическую информацию клетки.

С тех пор естественная компетентность изучалась у ряда различных бактерий, в частности Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae и представителей рода Acinetobacter . [1] Области активных исследований включают механизмы транспорта ДНК, регуляцию компетентности у различных бактерий и эволюционную функцию компетентности.

Механизмы поглощения ДНК

В лаборатории ДНК предоставляется исследователем, часто в виде генетически модифицированного фрагмента или плазмиды . Во время поглощения ДНК транспортируется через клеточную мембрану(ы) и клеточную стенку , если таковая имеется. Как только ДНК оказывается внутри клетки, она может быть деградирована до нуклеотидов , которые повторно используются для репликации ДНК и других метаболических функций. В качестве альтернативы она может быть рекомбинирована в геном клетки ее ферментами репарации ДНК . Если эта рекомбинация изменяет генотип клетки , говорят, что клетка трансформировалась. Искусственная компетентность и трансформация используются в качестве инструментов исследования во многих организмах. [4]

Почти у всех естественно компетентных бактерий компоненты внеклеточных нитей, называемые пили типа IV, связывают внеклеточную двухцепочечную ДНК. Затем ДНК транслоцируется через мембрану (или мембраны для грамотрицательных бактерий) через многокомпонентные белковые комплексы, управляемые деградацией одной цепи ДНК. Одноцепочечная ДНК в клетке связана хорошо сохраняющимся белком DprA, который загружает ДНК на RecA , который опосредует гомологичную рекомбинацию через классический путь репарации ДНК . [5]

Регулирование компетенции

В лабораторных культурах естественная 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, системы регуляции могут различаться у разных видов. [6] [1] Были обнаружены факторы транскрипции , которые регулируют компетентность; примером является sxy (также известный как tfoX), который, как было обнаружено, регулируется, в свою очередь, 5'-некодирующим элементом РНК . [7] У бактерий, способных образовывать споры , условия, индуцирующие споруляцию, часто перекрываются условиями, индуцирующими компетентность. [1] [8] Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки.

Большинство естественно компетентных бактерий, как полагают, поглощают все молекулы ДНК с примерно одинаковой эффективностью. [1] Однако бактерии некоторых семейств, таких как Neisseriaceae и Pasteurellaceae , предпочтительно поглощают фрагменты ДНК, содержащие последовательности сигналов поглощения , которые представляют собой короткие последовательности, часто встречающиеся в их собственных геномах. [1] У Neisseriaceae эти последовательности называются последовательностями поглощения ДНК (DUS), тогда как у Pasteurellaceae они называются последовательностями сигналов поглощения (USS). Геномы нейссерий содержат тысячи копий предпочтительной последовательности GCCGTCTGAA, а геномы Pasteurellacean содержат либо AAGTGCGGT, либо ACAAGCGGT. [4] [9]

Эволюционные функции и последствия компетентности

Большинство предложений, сделанных относительно первичной 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 для содействия гомологичной рекомбинационной репарации поврежденной ДНК (репарация ДНК). Возможно, что несколько предложений верны для разных организмов. [1] Также было сделано вторичное предположение, отмечающее случайное преимущество горизонтального переноса генов .

Гипотеза генетического разнообразия

Согласно одной из гипотез, бактериальная трансформация может играть ту же роль в увеличении генетического разнообразия, которую пол играет у высших организмов. [1] [10] [11] Однако теоретические трудности, связанные с эволюцией пола, предполагают, что пол для генетического разнообразия проблематичен. В случае бактериальной трансформации компетентность требует высокой стоимости глобального переключения синтеза белка, например, более 16 генов, которые включаются только во время компетентности Streptococcus pneumoniae . [12] Однако, поскольку бактерии имеют тенденцию расти в клонах, ДНК, доступная для трансформации, как правило, будет иметь тот же генотип, что и у клеток-реципиентов. [13] Таким образом, всегда существует высокая стоимость экспрессии белка без, в целом, увеличения разнообразия. Другие различия между компетентностью и полом были рассмотрены в моделях эволюции генов, вызывающих компетентность. Эти модели обнаружили, что постулируемые рекомбинационные преимущества компетентности были еще более неуловимыми, чем преимущества пола. [13]

Гипотеза ДНК как пищи

Вторая гипотеза, ДНК как пища, основана на том факте, что клетки, которые поглощают ДНК, неизбежно приобретают нуклеотиды, из которых состоит ДНК, и, поскольку нуклеотиды необходимы для синтеза ДНК и РНК и их синтез дорог, они могут вносить значительный вклад в энергетический бюджет клетки. [14] Некоторые естественно компетентные бактерии также секретируют нуклеазы в окружающую среду, и все бактерии могут поглощать свободные нуклеотиды, которые эти нуклеазы генерируют из ДНК окружающей среды. [15] 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 нуклеазы 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 деградирует компетентными клетками), и преимущество производства готовых к использованию нуклеотидных монофосфатов из другой цепи в цитоплазме. Другим осложняющим фактором является самосмещение систем поглощения ДНК видов семейства Pasteurellaceae и рода Neisseria , что может отражать либо отбор для рекомбинации, либо для механистически эффективного поглощения. [16] [17]

Гипотеза восстановления повреждений ДНК

У бактерий проблема повреждения ДНК наиболее выражена в периоды стресса, особенно окислительного стресса, которые возникают в условиях скученности или голодания. Некоторые бактерии индуцируют компетентность в таких стрессовых условиях, подтверждая гипотезу о том, что трансформация помогает восстановлению ДНК. [1] В экспериментальных тестах бактериальные клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих их ДНК, а затем подвергшиеся трансформации, выживали лучше, чем клетки, подвергшиеся повреждению ДНК, которые не подверглись трансформации. [18] Кроме того, компетентность подвергаться трансформации часто индуцируется известными агентами, повреждающими ДНК. [19] [20] [1] Таким образом, сильным краткосрочным селективным преимуществом для естественной компетентности и трансформации была бы ее способность способствовать гомологичной рекомбинационной репарации ДНК в условиях стресса.

Горизонтальный перенос генов

Иногда долгосрочное преимущество может быть получено за счет отдельных случаев горизонтального переноса генов , также называемого латеральным переносом генов (который может быть результатом негомологичной рекомбинации после индукции компетентности), что может обеспечить устойчивость к антибиотикам или другие преимущества.

Независимо от характера отбора на компетентность, сложная природа бактериальных геномов предоставляет многочисленные доказательства того, что горизонтальный перенос генов, вызванный компетентностью, способствует генетическому разнообразию, которое делает эволюцию возможной.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghij Хенкин, Тина М.; Питерс, Джозеф Э. (2020). Молекулярная генетика бактерий Снайдера и Чампнесса (Пятое изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 246–260. ISBN 9781555819767.
  2. ^ ab Blokesch, Melanie (ноябрь 2016 г.). «Естественная компетентность для трансформации». Current Biology . 26 (21): R1126–R1130. doi :10.1016/j.cub.2016.08.058.
  3. ^ Avery, Oswald T.; MacLeod, Colin M.; McCarty, Maclyn (1 февраля 1944 г.). «Исследования химической природы вещества, вызывающего трансформацию пневмококковых типов». Journal of Experimental Medicine . 79 (2): 137–158. doi :10.1084/jem.79.2.137. PMC 2135445. PMID  19871359. 
  4. ^ ab Chen, I; Dubnau, D (2004). «Поглощение ДНК во время бактериальной трансформации». Nature Reviews Microbiology . 2 (3): 241–249. doi :10.1038/nrmicro844. PMID  15083159. S2CID  205499369.
  5. ^ Джонстон, Калум; Мартин, Бернард; Фишант, Гвеннаэль; Полард, Патрис; Клаверис, Жан-Пьер (март 2014 г.). «Бактериальная трансформация: распределение, общие механизмы и дивергентный контроль». Nature Reviews Microbiology . 12 (3): 181–196. doi :10.1038/nrmicro3199. PMID  24509783. S2CID  23559881.
  6. ^ Соломон, Джонатан М.; Гроссман, Алан Д. (апрель 1996 г.). «Кто компетентен и когда: регулирование естественной генетической компетентности у бактерий». Тенденции в генетике . 12 (4): 150–155. doi :10.1016/0168-9525(96)10014-7. PMID  8901420.
  7. ^ Redfield, RJ (сентябрь 1991 г.). "sxy-1, мутация Haemophilus influenzae, вызывающая значительное повышение спонтанной компетентности". Journal of Bacteriology . 173 (18): 5612–8. doi :10.1128/jb.173.18.5612-5618.1991. PMC 208288 . PMID  1653215. 
  8. ^ Boonstra, Mirjam; Schaffer, Marc; Sousa, Joana; Morawska, Luiza; Holsappel, Siger; Hildebrandt, Petra; Sappa, Praveen Kumar; Rath, Hermann; de Jong, Anne; Lalk, Michael; Mäder, Ulrike; Völker, Uwe; Kuipers, Oscar P. (июнь 2020 г.). «Анализ компетентных и некомпетентных субпопуляций Bacillus subtilis выявляет yhfW, yhxC и ncRNAs как новых игроков в компетентности». Environmental Microbiology . 22 (6): 2312–2328. doi :10.1111/1462-2920.15005. PMC 7317962 . 
  9. ^ Findlay, WA; Redfield, RJ (2009). «Коэволюция последовательностей поглощения ДНК и бактериальных протеомов». Genome Biology and Evolution . 1 : 45–55. doi :10.1093/gbe/evp005. PMC 2817400. PMID 20333176  . 
  10. ^ Barton, NH; Charlesworth, B. (25 сентября 1998 г.). «Почему секс и рекомбинация?». Science . 281 (5385): 1986–1990. doi :10.1126/science.281.5385.1986. PMID  9748151.
  11. ^ Отто, СП; Герштейн, АЦ (1 августа 2006 г.). «Зачем заниматься сексом? Популяционная генетика пола и рекомбинации». Труды биохимического общества . 34 (4): 519–522. doi :10.1042/BST0340519. PMID  16856849.
  12. ^ Петерсон, Скотт; Клайн, Робин Т.; Теттелин, Эрве; Шаров, Василий; Моррисон, Дональд А. (ноябрь 2000 г.). «Анализ экспрессии генов регулонов компетентности Streptococcus pneumoniae с использованием ДНК-микрочипов». Журнал бактериологии . 182 (21): 6192–6202. doi :10.1128/JB.182.21.6192-6202.2000. PMC 94756. PMID  11029442 . 
  13. ^ ab Redfield, Rosemary J. (1988). «Является ли секс с мертвыми клетками лучше, чем его отсутствие?». Genetics . 119 (1): 213–221. doi :10.1093/genetics/119.1.213. PMC 1203342 . PMID  3396864. 
  14. ^ Редфилд, Розмари Дж. (2001). «Есть ли у бактерий секс?». Nature Reviews Genetics . 2 (8): 634–639. doi :10.1038/35084593. PMID  11483988. S2CID  5465846.
  15. ^ Дубнау, Д (1999). «Поглощение ДНК бактериями». Annual Review of Microbiology . 53 (1): 217–44. doi :10.1146/annurev.micro.53.1.217. PMID  10547691.
  16. ^ Maughan, H (2010). «Последовательности поглощения бактериальной ДНК могут накапливаться только за счет молекулярного привода». Genetics . 186 (2): 613–627. doi : 10.1534/genetics.110.119438 . PMC 2954483 . PMID  20628039. 
  17. ^ Redfield, Rosemary J.; Schrag, Matthew R; Dead, Anthony M (1997). «Эволюция бактериальной трансформации: секс с плохими родственниками». Genetics . 146 (1): 27–38. doi :10.1093/genetics/146.1.27. PMC 1207942 . PMID  9135998. 
  18. ^ Hoelzer, MA; Michod, RE (1 июня 1991 г.). «Репарация ДНК и эволюция трансформации у Bacillus subtilis. III. Секс с поврежденной ДНК». Genetics . 128 (2): 215–223. doi :10.1093/genetics/128.2.215. PMC 1204460 . PMID  1906416. 
  19. ^ Michod, Richard E.; Bernstein, Harris; Nedelcu, Aurora M. (май 2008 г.). «Адаптивное значение пола у микробных патогенов». Инфекция, генетика и эволюция . 8 (3): 267–285. doi :10.1016/j.meegid.2008.01.002. PMID  18295550.
  20. ^ Бернстайн, Харрис; Бернстайн, Кэрол; Мишод, Ричард Э. (2012). «Глава 1 — Репарация ДНК как основная адаптивная функция пола у бактерий и эукариот». Репарация ДНК: новые исследования. NOVA Publishers. стр. 1–50. ISBN 978-1-62100-756-2. Архивировано из оригинала 29 октября 2013 . Получено 13 апреля 2012 .