HORIZONTALNI PRIJENOS GENA: MEHANIZMI I PRIMJERI - BIOLOGIJA - 2024

Horizontalni prijenos gena ili bočni prijenos gena je razmjena genetskog materijala između organizama koji se ne pojavljuje u obiteljima. Ovaj se događaj odvija između pojedinaca iste generacije i može se dogoditi kod jednoćelijskih ili višećelijskih bića.

Horizontalni prijenos odvija se kroz tri glavna mehanizma: konjugacija, transformacija i transdukcija. U prvom je tipu moguća razmjena dugih fragmenata DNA, dok je u posljednja dva prijenos ograničen na male segmente genetskog materijala.

Bakterija. THG je čest u tim organizmima. Izvor pixabay.com

Suprotan koncept je vertikalni prijenos gena, gdje genetska informacija prelazi iz organizma u njegovo potomstvo. Taj je proces rasprostranjen u eukariotama, poput biljaka i životinja. Suprotno tome, vodoravni prijenos je uobičajen kod mikroorganizama.

Kod eukariota horizontalni prijenos nije tako čest. Međutim, postoje dokazi razmjene ovog fenomena, uključujući pretka ljudi, koji su pomoću virusa stekli određene gene.

Što je horizontalni prijenos gena?

Tijekom reprodukcije eukariotski organizmi prenose svoje gene iz jedne generacije na svoje potomstvo (djecu) u procesu poznatom kao vertikalni prijenos gena. Prokarioti također obavljaju ovaj korak, ali putem aseksualne reprodukcije putem fisije ili drugih mehanizama.

Međutim, kod prokariota postoji drugi način razmjene genetskog materijala koji se naziva horizontalni prijenos gena. Ovdje se fragmenti DNK izmjenjuju između organizama iste generacije i mogu prelaziti iz jedne vrste u drugu.

Vodoravni prijenos relativno je čest među bakterijama. Uzmimo primjer gena koji uzrokuju rezistenciju na antibiotike. Ovi važni fragmenti DNK normalno se prenose između bakterija različitih vrsta.

Ovi mehanizmi uključuju značajne medicinske komplikacije pri liječenju infekcija.

mehanizmi

Postoje tri osnovna mehanizma pomoću kojih se DNK može razmjenjivati ​​horizontalnim prijenosom. To su konjugacija, transformacija i transdukcija.

Konjugacija

Prijenos gena konjugacijom je jedini tip koji uključuje izravan kontakt dviju bakterija.

Međutim, to se ne smije uspoređivati ​​s izmjenom gena spolnom reprodukcijom (gdje je obično kontakt između uključenih organizama), jer je postupak vrlo različit. Među glavnim razlikama je odsutnost mejoze.

Tijekom konjugacije, prolazak genetskog materijala iz jedne bakterije u drugu odvija se kroz fizički kontakt uspostavljen strukturom koja se zove pili. To djeluje kao povezujući most, gdje dolazi do razmjene.

Iako se bakterije ne razlikuju po spolu, organizam koji nosi mali kružni DNK poznat kao faktor F (plodnost f) poznat je kao "muški". Te ćelije su donori tijekom konjugacije, prenoseći materijal u drugu ćeliju kojoj nedostaje faktor.

DNK faktora F sastoji se od oko 40 gena koji kontroliraju replikaciju seksualnog faktora i sintezu seksualnih pilija.

Prvi dokazi procesa konjugacije potječu iz pokusa Lederberg i Tatum, ali upravo je Bernard Davis pokazao da je kontakt potreban za prijenos.

transformacija

Transformacija uključuje uzimanje gole molekule DNA koja se nalazi u okolini blizu bakterija domaćina. Ovaj dio DNA dolazi iz druge bakterije.

Postupak se može provesti prirodnim putem, jer se populacije bakterija normalno podvrgavaju transformaciji. Slično tome, transformacija se može simulirati u laboratoriju da prisili bakterije da preuzmu DNK od interesa koji se nalazi vani.

Teoretski, može se uzeti bilo koji dio DNK. Međutim, primijećeno je da u taj postupak sudjeluju male molekule.

sstanično

Konačno, mehanizam transdukcije javlja se pomoću faga (virusa) koji nosi DNK iz bakterije donora do primatelja. Kao i u prethodnom slučaju, količina prenesene DNK je relativno mala, jer je sposobnost virusa da nosi DNK ograničena.

Obično je ovaj mehanizam ograničen na bakterije koje su filogenetski bliske, jer se virus koji nosi DNK mora vezati za specifične receptore za bakterije da bi ubrizgavao materijal.

Primjeri

Endonukleaze su enzimi koji imaju sposobnost razbijanja fosfodiesterskih veza unutar polinukleotidnog lanca, iznutra - zato su poznati kao "endo". Ti se enzimi nigdje ne smanjuju, za to imaju određena mjesta, koja se nazivaju restrikcijska mjesta.

Sekvence aminokiselina za enzime EcoRI (u E. coli) i RSRI (u Rhodobacter sphaeroides) imaju niz od gotovo 300 aminokiselinskih ostataka, koji su 50% identični jedni drugima, što jasno ukazuje na blisko evolucijsko srodstvo.

Međutim, zahvaljujući proučavanju ostalih molekularnih i biokemijskih karakteristika, ove su dvije bakterije vrlo različite i s filogenetskog stajališta vrlo su malo povezane.

Uz to, gen koji kodira enzim EcoRI koristi vrlo specifične kodone koji su različiti od onih koje E. E. coli normalno koristi, pa se sumnja da gen nije nastao u ovoj bakteriji.

Horizontalni prijenos gena u evoluciji

1859. godine britanski prirodoslovac Charles Darwin revolucionirao je biološke znanosti svojom teorijom evolucije prirodnim odabirom. U svojoj ikoničnoj knjizi Podrijetlo vrsta, Darwin predlaže metaforu stabla života kako bi ilustrirao genealoške odnose između vrsta.

Filogenije su danas formalni prikaz ove metafore, gdje se pretpostavlja da se prijenos genetskih informacija događa okomito - od roditelja do djece.

Mi možemo primijeniti ovu viziju bez većih neugodnosti na višećelijske organizme i dobit ćemo razgranat uzorak, kao što to Darwin predlaže.

Međutim, teško je aplicirati grane bez fuzije na mikroorganizme. Kada se uspoređuju genomi različitih prokariota, jasno je da postoji opsežan prijenos gena između rodova.

Stoga je obrazac odnosa više poput mreže s granama spojenim i spojenim zajedno, zahvaljujući prevladavanju horizontalnog prijenosa gena.

Reference

1. Gogarten, JP i Townsend, JP (2005). Horizontalni prijenos gena, inovacija i evolucija genoma. Nature Review Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, i Palmer, JD (2008). Horizontalni prijenos gena u eukariotskoj evoluciji. Nature Nature Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetika: konceptualni pristup. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P., i McMillan, B. (2013). Biologija: Dinamička znanost. Nelson Education.
5. Sumbali, G., i Mehrotra, RS (2009). Načela mikrobiologije. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., i Kado, CI (2001). Horizontalni prijenos gena. Akademska štampa.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Uvod u mikrobiologiju. Panamerican Medical Ed.