מֵידָע

7.11: העברה גנטית בפרוקריוטים - ביולוגיה

7.11: העברה גנטית בפרוקריוטים - ביולוגיה


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

7.11: העברה גנטית בפרוקריוטים

7.11: העברה גנטית בפרוקריוטים - ביולוגיה

בגנטיקה, השלמה מתייחסת לקשר בין שני זנים שונים של אורגניזם אשר לשניהם מוטציות רצסיביות הומוזיגיות המייצרות את אותו הפנוטיפ (למשל, שינוי במבנה הכנף בזבובים) אך שאינן שוכנות על אותו הגן (הומולוגי) .

זנים אלה הם גידול אמיתי בגלל המוטציה שלהם. אם כאשר זנים אלה נחוצים זה לזה, כמה צאצאים מראים התאוששות של הפנוטיפ מסוג הבר, נאמר שהם מראים השלמה גנטית. כאשר זה קורה, כל זן הפלואיד מספק אלל מסוג wild ל-#8220 komplement ” האלל המוטציה של הזן השני והפלואיד, וגורם לצאצאים להיות מוטציות הטרוזיגוטיות בכל הגנים הקשורים. מכיוון שהמוטציות רצסיביות, הצאצא יציג את הפנוטיפ מסוג הבר.

מבחן השלמה (המכונה לעתים בדיקת “cis-trans ”) מתייחס לניסוי זה, שפותח על ידי הגנטיקאי האמריקאי אדוארד ב 'לואיס. זה עונה על השאלה: “האם עותק פראי של גן X מציל את הפונקציה של האלל המוטנטי שלדעתו מגדיר את הגן X?”. אם יש אלל עם פנוטיפ הנצפה שאת הפונקציה שלו ניתן לספק על ידי גנוטיפ מסוג בר (כלומר, האלל הוא רצסיבי), אפשר לשאול האם הפונקציה שאבדה בגלל האלל הרצסיבי יכולה להינתן על ידי גנוטיפ מוטנטי אחר. אם לא, שני האללים חייבים להיות פגומים באותו גן. היופי בבדיקה זו הוא שהתכונה יכולה לשמש כקריאה של תפקוד הגן גם ללא ידיעה על מה שהגן עושה ברמה מולקולרית.

מבחן השלמה: דוגמה למבחן השלמה. שני זני זבובים הם בעלי עיניים לבנות בגלל שתי מוטציות רצסיביות אוטוזומליות שונות אשר קוטעות שלבים שונים במסלול מטבולי אחד המייצר פיגמנטים. לזבובים מזן 1 יש מוטציות משלימות לזבובים מזן 2 מכיוון שכאשר חוצים אותם, הצאצאים מסוגלים להשלים את המסלול המטבולי המלא וכך יש להם עיניים אדומות.

השלמה נוצרת מכיוון שאבדן תפקוד בגנים האחראים על שלבים שונים באותו מסלול מטבולי יכול להוליד את אותו פנוטיפ. כאשר מגדלים זנים יחדיו, הצאצאים יורשים גרסאות בר של כל גן משני ההורים. מכיוון שהמוטציות רצסיביות, יש התאוששות של התפקוד במסלול זה, ולכן הצאצאים משחזרים את הפנוטיפ מסוג הבר. לפיכך, הבדיקה משמשת כדי להחליט אם שני פנוטיפים מוטציות רצסיביים שמקורם באופן עצמאי נגרמים על ידי מוטציות באותו גן או בשני גנים שונים. אם לשני זני האב יש מוטציות באותו הגן, אין גרסאות רגילות של הגן בירושה של הצאצאים שהם מבטאים את אותו הפנוטיפ המוטנטי וההשלמה לא התרחשה.

במילים אחרות, אם השילוב של שני גנום הפלואיד המכיל מוטציות רצסיביות שונות מניב פנוטיפ מוטנטי, קיימות שלוש אפשרויות: מוטציות מתרחשות באותו הגן מוטציה אחת משפיעה על ביטוי המוטציה האחת השנייה עלולה לגרום למוצר מעכב. אם השילוב של שני גנומים הפלואידים המכילים מוטציות רצסיביות שונות מניב את הפנוטיפ של הסוג הבר, אז המוטציות חייבות להיות בגנים שונים.


מנגנון העברת גנים בפרוקריוטים | גנטיקה

בפרוקריוטים תוארו מספר מנגנונים, כלומר טרנספורמציה, צימוד והתמרה המתווכים יצירת רקומביננטים חדשים.

טרנספורמציה מתייחסת להעברת קטע קטן יחסית של DNA עירום מתא תורם (זכר) לתא הנמען (הנקבה). צימוד הוא תהליך של העברת גנים בין תאים מסוגי הזדווגות מנוגדים שנמצאים במגע פיזי זה עם זה. התמרה כרוכה בהעברת מידע גנטי מתא התורם לתא הנמען באמצעות חיידק.

בתהליכים הנ"ל לא שלם אלא חלק מהכרומוזומים מועבר מתא תורם לתא מקבל. כתוצאה מכך התא הנשי הופך להיות דיפלואידי חלקי הנקרא merozygote. גורלו האולטימטיבי של הדנ"א שנתרם הוא שבין אם הוא משתלב בגנום הנמען על ידי תהליך רקומבינציה המופחת על ידי אנזימי הגבלה של המארח או נשמר כקטע קטי-כרומוזומלי יציב.

1. טרנספורמציה:

הטרנספורמציה החיידקית התגלתה לראשונה על ידי גריפית' (1928) בין שני הזנים של Streptococcus (Diplococcus) pneumoniae הגורם לדלקת ריאות בבני אדם ובעכברים. התוצאות של Griffith מוצגות באיור 8.1. זן ה- RII (היווצרות מושבה מחוספסת, מחוספסת, זן מוטנטי) לא גרם למוות של עכברים, ואילו זן SIII (ארסי ומשטח חלק, זן פראי) גרם למוות של עכברים.

החום שהרג את זן SIII הראה גם תוצאות כמו זן RII. עם זאת, כאשר חום הרג זן SIII מעורבב עם זן RII הוזרק לעכברים, הם מתו. אינדוקציה זו בשינוי של זן RII נקראה טרנספורמציה. גריפית חשב כי השינוי היה נגרם על ידי חלבון.

Avery, Macleod ו- Mc Carty (1944) ערכו את הניסוי והדגימו כי חום שהרג את זן ה- SIII הפך את זן ה- RII לצורה ארסית שגרמה למוות של עכברים.

יכולת השינוי לא השתנתה על ידי טיפול באנזים או על ידי RNase, אלא נהרסה כליל על ידי DNase. ממצאים אלו הראו כי ל-DNA יש את היכולת לשאת מידע תורשתי. שלבי השינוי העיקריים מוצגים באיור 8.2.

לאחר מכן, הוכחה טרנספורמציה במספר חיידקים כמו המופילוס, נייסריה, קסנטומנוס, ריזוביום, באצילוס, סטפילוקוקוס וסלמונלה. באופן כללי טרנספורמציה ושיימציה אינה מתרחשת ב- E. coli אך היא מתרחשת לאחר הטיפול בסידן כלורי. אולי זה מקל על כניסת ה-DNA לתאי המקבלים.

Transfection הוא תהליך הכולל טרנספורמציה של תאים חיידקיים עם DNA בקטריופאג מטוהר וכתוצאה מכך ייצור חלקיקי הנגיף השלמים. האורגניזמים שאינם נחשבים ניתנים לשינוי באופן טבעי (למשל E. coli. Salmonella typhimurium) יכולים לעבור טרנספורמציה במבחנה. טרנספורמציה יכולה להתרחש באמצעות CaCl2 או אלקטרופורציה (זעזועים חשמליים) שמביאה לשינוי בקרום החיצוני.

בשנת 1964, פולדס וטראוטנר היו הראשונים שהראו הדבקה של פרוטופלסט חיידקי בחומצות גרעין מטוהרות ולתופעה זו נתנו את המונח טרנספקציה. מאז הוכח טרנספקציה במספר חיידקים כגון B. subtilis, E. coli, H. influenzae, S. typhimurium, Staphylococcus, Streptococcus וכו '.

כאשר התאים המועברים היוצרים מושבות על צלחות אגר מסולקים, אזורים ברורים נראים לעין. אזורים אלה נקראים לוחות. נוטאני וסטלו (1974) דנו במנגנון הטרנספורמציה והחיידקים של חיידקים. בשנים האחרונות נעשית עבודה רבה על טרנספקטציה במבחנה למטרות הנדסה גנטית. עם זאת, זה היה גורם חשוב להצלחת המחקרים בטכנולוגיית DNA רקומביננטי.

2. הצמדה:

בפעם הראשונה ג'ושוע לדרברג ואדוארד L.Tatum (1946) בניסוי המבריק והמדהים שלהם הציגו את הראיות לצימוד חיידקי כלומר תהליך של העברה של חומר גנטי על ידי מגע בין תא לתא.

הם רכשו את שני האוקסוטרופים השונים (הפרוטרוטרופים המוטנטים חסרי יכולת לסנתז רכיב תזונתי חיוני, ולכן קבלו אותו או מבשר מסביבתו) של אי קולי, ערבבו אותם ודגרו את שני הזנים במשך שעות במדיום מזין ומצופים על מינימלי מדיום (נטול ביוטין, פנילאלנין וחומצות אמינו אחרות).

הם השתמשו באוקסוטרופים כפולים או משולשים כדי לחלץ מהסיכוי להחזרה. זן אחד (58-161) נדרש לביוטין (Bio –), פנילאלנין (Phe –) וציסטין (Cys –) לצמיחתם, ומכאן מכונה Bio-Phe – Cys – Thr + Leu + Thi +. הזן השני (W677) דרש ביוטין (Bio +), פנילאלנין (Phe +), ציסטין (cys +), תראונין (Thr –), לאוצין (Leu –) ותיאמין (Thi –) ומיועד כמו Bio + Phe + Cys + Thr – Leu – Thi –.

לאחר הדגירה גדלו המושבות הפרוטרוטרופיות רקומביננטיות (כלומר חיידק הדורש את אותם חומרים מזינים כמו רוב המינים החיידקים המתרחשים באופן טבעי) על מדיום מינימלי.

ייצור של פרוטוטרופים רקומביננטיים (כלומר Bio + Phe + Cys + Thr + Lei + Thi + ) היה אפשרי כתוצאה מרקומבינציה) בין שני האוקסוטרופים (איור 8.6). לפרוטוטרופ הרקומביננטי היה יכולת לסנתז את כל ששת גורמי הגדילה כלומר חומצות אמינו.

לדרברג וטאטום (1946) לא יכלו לתת הוכחה למגע פיזי של תאים הנדרשים להעברת גנים. הראיות לקשר בין תא לתא נמסרו על ידי ברנרד דייויס (1950) שבנה צינור בצורת U. שתי חתיכות נפרדות של צינורות זכוכית מעוקלים הוכנו והתמזגו בבסיס ליצירת צורת U עם מסנן זכוכית מחורץ בין החצאים (איור 8.7).

המסנן מאפשר תנועה של מדיה אך לא חיידקים משני הקצוות של U tube. המדיום התזונתי חוסן עם זן אוקסוטרופי שונה של E. coli. כאשר הוא חוסן המדיום נשאב בחזרה והובא מהמסנן כדי להקל על החלפת המדיום הקיים משני צידי המסנן.

זני החיידקים משני חצאי צינור U היו מצופים לאחר 4 שעות, של דגירה על מדיום מינימלי. מושבות החיידקים לא הופיעו על מדיום מכיוון שלא ניתן היה ליצור מגע בין תא לתא, ולכן לא התרחשה העברת גנים. מכאן שלא יוצרו פרוטוטרופים רקומביננטיים.

רטרו-טרנספר:

אין ספק, וויליאם הייז (1952) הקים את עבודת המסגרות המדעיות של גנטיקה חיידקית, ביולוגיה פלסמיד ומנגנון העברת גנים אופקי (הצמדה). בהמשך נעשתה עבודה רבה.

תומאס ד. ברוק (1990) תיאר שני שלבי מחקר בגנטיקה חיידקית, טרום הייז ופוסט הייז. בגילויו של העברה חד-כיוונית של חומר גנטי, הסיק הייז את אי השוויון בין הזנים, וזיהה את 58-161 כתורם ואת W677 כמקבל.

עם זאת, באמצע שנות השמונים הוטלה בספק האוניברסאליות של מודל הצמידה החד-כיווני. פלסמידים IncP1, IncM ו-IncN דווחו כמתווכים ‘העברה חזרה’ או גיוס חזרה מהמקבל אל התורם. תצפית זו הובילה להולדת תופעת צמידה חדשה הידועה בשם רטרו-העברה.

רטרו מסמל חזרה או חזרה, ולכן העברה רטרו חייבת להיות העברה חזרה או העברה אחורה. העברה רטרו מרמזת רק על צימוד התנהגותי ולא על המנגנון המולקולרי או הגנטי שלו. כמו כן הוכח כי בהעברת רטרו אין מעורב מנגנון חדש של העברת DNA. זה תלוי לחלוטין בהמרתה של מקבלת נקבה לתורם זכר.

טופ (1992) הציעו שני דגמים מובחנים מבחינה מכאנית להעברת רטרו, הצעד האחד והשני שלבים. במודל החד-שלבי (כלומר דו-כיווני), העברה רטרו היא אירוע בודד שבמהלכו ה-DNA נע בחופשיות בשני כיוונים בין תא הנושא Tra + פלסמיד לתא הנושא פלסמיד Tra + Mob +.

שני שלבים (כלומר חד כיווני) כוללים שני אירועי העברה, האירוע הראשון הוא העברה של Tra + פלסמיד מהתורם למקבל, והשלב השני העברה של Tra + Mob + פלסמיד חזרה לתורם המקורי.

מהעבודה שנעשתה בשנים שלאחר מכן, צמח המודל הדו-כיווני של העברת רטרו עם המאפיינים הבאים:

(i) העברה רטרו היא תהליך חד-שלבי של העברת DNA דו-כיוונית המורכבת מאירוע צמוד בודד שבמהלכו ה-DNA זורם בחופשיות בין התורם למקבל,

(ii) העברת רטרו מובחנת מבחינה מכאנית מהצמידה וההתגייסות הקאנונית,

(iii) העברה רטרו אינה תלויה בהעברת הפלסמיד Tra + למקבל,

(iv) אין להבחין בין הזמן הנדרש להעברה לאחור מזה הנדרש לצימוד קנוני,

(v) העברה רטרו אינה מושפעת מהדרת שטח, וכן

(vi) היכולת להעברת רטרו היא נכס שברשותו קבוצה בלעדית של פלסמיד בקבוצות תאימות.

3. טרנסדוקציה:

העברת חומר גנטי מתא אחד למשנהו על ידי בקטריופאג נקראת התמרה. תופעת ההתמרה התגלתה לראשונה על ידי צינדר ולדרברג (1952) בעת חיפוש אחר צמידה מינית במיני סלמונלה.

הזיהום על ידי בקטריופאג' מתבצע במספר שלבים כגון ספיחה, חדירה, שכפול, הרכבה, תמוגה ושחרור. בקצרה חלקיקי הנגיף נצמדים לראשונה לאתר קולטן ספציפי על פני דופן תא החיידק.

החומר הגנטי חודר לתא החיידק, ומשתכפל באופן עצמאי על ידי שימוש במכונות התא של המארח. כתוצאה מכך, ה-DNA של הנגיף משוכפל למספר עותקים, ומסנתז חלבוני פאג'. חלקיקי הפאג המלאים נאספים ולבסוף תא מתמוטט וכתוצאה מכך שחרור חלקיקי וירוס.

בהתאם לאופן הרבייה, הבקטריופאג'ים הם משני סוגים, הפאג' הארסי והפאג' הממוזג. הפאגים המתרבים באמצעות מחזור ליטי נקראים פאגים ארסיים מכיוון שהם הורסים את התא המארח כגון T phages, phage lambda (λ) וכו '.

לעומת זאת, הפאגים הממוזגים בדרך כלל אינם משמיצים את התא החיידקי. הגנום הנגיפי מתנהג כאפיזודי כמו גורם F ומשתלב בכרומוזום החיידקי.

הצורה הסמויה של גנום הפאגים שנשארת בתוך המארח ללא פגיעה ומשתלבת עם כרומוזום נקראת פרופאג '. חיידקים המכילים נבואה ידועים בשם ליזוגנית, והקשר בין הפאג למארח שלו נקרא ליזוגניה.

החיידקים הליזוגניים יכולים לייצר חלקיקי פאג בתנאים מסוימים, והפאג מסוגל לבסס את תופעת הליזוגני ומתנהג כפאג ממוזג. בדרך כלל, התמרה מתרחשת בקלות רבה ביותר בין המינים הקשורים קשר הדוק מאותו סוג של חיידק כלומר אינטראגני. העדפה זו נובעת מהדרישה לקולטן משטח התא הספציפי לזיהוי הפאג.

בנוסף, הוכח התמרה בין-גנרית בין החיידקים האנטריים הקשורים זה לזה, כגון בין E. coli ומיני סלמונלה או שיגלה. מספר תכונות גנטיות למשל פוטנציאל תסיסה, אנטיגנים ועמידות כימית ניתנות להמרה.


תוצאות

עיצוב נסיוני

התורמים והמקבלים שלנו נגזרים אי - קולי זני K12, B ו- W (קובץ נוסף 1: טבלה S1), שמקורם בשונות אי - קולי תת - זנים. אי - קולי K12 ו- B קשורים קשר הדוק ביותר (0.8% סטיית נוקלאוטיד בין גנים אורתולוגיים, 19.42% מהגנים שאינם משותפים בין הזנים. קובץ נוסף 2: טבלה S2). E. coli W שונה במידה רבה משניהם אי - קולי K12 ו-B [51] (1.3 ו-1.4% התבדרות נוקלאוטידים, בהתאמה, 26% מהגנים שאינם משותפים, קובץ נוסף 2: טבלה S2).

כדי לזהות מקורות פחמן מתאימים לאבולוציה ניסיונית, השתמשנו בנתונים ניסיוניים זמינים ממיקרו מערכים פנוטיפים של BIOLOG [51,52,53] ומדוגמנות חישוביות באמצעות ניתוח איזון שטף [54] של מטבוליזם הזנים שלנו (שיטות). שני מקורות פחמן כאלה עלו מניתוח זה. הראשון מהם הוא 4-הידרוקסיפניל-אצטט (HPA). אי - קולי K12 אינו מסוגל לגדול על מקור הפחמן הזה, אך זן B ו- W מסוגלים לצמוח בו, כנראה מכיוון שהם מחזיקים את hpa אופרון [55]. ה hpa אופרון מקודד ל-11 מוצרי גנים המייבאים ומטבולים את HPA וכימיקלים הקשורים מבחינה מבנית [55]. שניים מהמוצרים האלה, hpaC ו hpaB, יוצרים דו-רכיבי 4-hydroxyphenylacetate 3-hydroxylase ואחראים לשלב הראשון של פירוק HPA. למרות שזן K12 חסר hpa אופרון, הוא מכיל את paa אופרון לפירוק פניל ​​-אצטט (PA). HPA היא נגזרת של הידרוקסילציה של PA [56, 57]. נימקנו כי אינטגרציה מחדש של ה- hpa אופרון לתוך זן הנמען או מוטציות נקודתיות המאפשרות למקבל להמיר HPA ל-PA, עשויות להספיק כדי להעביר את היכולת לצמוח על HPA.

כדי לגלות זאת, ערכנו ארבעה ניסויי אבולוציה שונים (( מפעילשם>_>^< mathrm>, operatorname< mathrm> _ < mathrm>^>,שם מפעיל< mathrm> _ < mathrm>^> ) ו- Recק), כל אחד משוכפל פי שישה. ב (< mathrm> _ < mathrm>^> ) ניסוי (איור 1), חשפנו אי - קולי מקבלי K12 לאמצעי גידול שעבר במהלך 400 דורות (60 מחזורי העברה סדרתיים) מגליצרול ל- HPA. במהלך תקופה זו, חשפנו את הנמען כל 33 דורות (כל חמישה מחזורי העברה סדרתיים) ל- אי - קולי זן תורם W (איור 1 א). זן התורם עצמו אינו יכול לצמוח במדיום הניסוי, בשל אוקסוטרופיה טריפטופן (קובץ נוסף 1: טבלה S1, קובץ נוסף 3: איור S1), וכך מתדלדל בהדרגה מהתרבות במשך שלושה מחזורי העברה (קובץ נוסף 4: איור S4). עם זאת, במהלך זמן זה, הוא עשוי להעביר למקבל גנים שעשויים לעזור לנמען לצמוח. במהלך הניסוי, בדקנו מדי פעם אם יש זיהום צולב בין שכפולים, אימתנו שהתורם אכן לא פלש לתרבות הנמען (קובץ נוסף 5: טקסט S1), וקבענו את חלק התאים שיכולים לצמוח ב- HPA על ידי ציפוי ( שיטות). בסוף הניסוי, מדדנו את קצב הגידול של אוכלוסיות שהתפתחו ושל שיבוטים מאוכלוסיות אלה במדיום נוזלי המכיל HPA. רצפנו גם את הגנום של שני שיבוטים לאוכלוסייה לכיסוי ממוצע של פי 99.96.

עיצוב ניסוי של שני ניסויי האבולוציה. א פיתחנו אוכלוסיות משוכפלות מרובות של זן מקבלי K ב-HPA למשך 60 מחזורי העברה סדרתיים (ו-400 דורות). באופן ספציפי, הקמנו אוכלוסיות שחשפנו מעת לעת לתאי תורם W (6 אוכלוסיות משוכפלות, ( operatorname)>_>^> )), לתאי תורם B (6 משכפלים, ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^> ) ), לתאי תורם K (6 עותקים, ( מפעילשם< mathrm>_>^< mathrm> ) ), וללא תאי תורם (6 שכפולים, Recק ראה שיטות). ב פיתחנו מספר רב של אוכלוסיות משוכפלות מהזן של נמען W על חומצה בוטירית במשך 175 ימים (

1155 דורות). באופן ספציפי, הקמנו אוכלוסיות שחשפנו מעת לעת לתאי תורם B (6 אוכלוסיות משוכפלות, ( operatorname)< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ), לתאי תורם K (6 עותקים, ( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> )), לתאי תורם W (6 משכפלים, ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ), וללא תאי תורם (6 שכפולים, Recוו). עבור שני הניסויים, זרענו את אוכלוסיות הנמענים מתרבות לילה אחת של הנמען האבות (קריקטורה של תאים אפורים משמאל לכל לוח) שגדלה בגליצרול. כל יום העברנו כל אוכלוסייה מתפתחת לאמצעי גידול טרי (קובץ נוסף 35: טבלה S4) על ידי דילול פי 100 (חיצים שחורים). כל חמישה ימים הכנו מניות גליצרול, נבדק על זיהומים, עקבנו אחר הסתגלות באמצעות מבחני גדילה והוספנו את התורם המתאים לאוכלוסייה המתפתחת (שיטות). במהלך הניסוי, החלפנו בהדרגה את גליצרול (צהוב כהה) ב- HPA (ציאן) (א) או חומצה בוטירית (ורודה) (ב) במדיום הגידול, עד שרק מקור הפחמן החדש היה קיים. לאחר מכן, פיתחנו את האוכלוסיות למשך 10 ימים נוספים במקור הפחמן החדש כדי להבטיח שהאוכלוסיות יוכלו לגדול אך ורק על מקור הפחמן החדש.

כדי לברר אם זהות התורם חשובה לאבולוציה אדפטיבית, ביצענו את ה-( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) הניסוי באותו אופן כמו שם operatorn< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ניסוי, למעט העובדה שחשפנו את אוכלוסיות המקבלים לזן תורם B הקשור יותר. לבסוף, ביצענו גם שני ניסויי בקרה, אחד שבו מקבל ה-K נחשף לזן תורם K זהה (( > _ < mathrm>^< mathrm> )), ואחד שבו הנמען לא נחשף לתורם (Recק, איור 1א). בסוף כל ניסוי, שוב מדדנו את קצבי הגידול ורצפנו את הגנום של שיבוטים בודדים.

מקור הפחמן השני שזוהה על ידי הניתוחים המקדימים שלנו היה חומצה בוטירית (ראה שיטות). חומצה בוטרית היא חומצת שומן קצרת שרשרת שניתן לנצל באמצעות האנזימים המקודדים על ידי ato וה תַחבִּיב אופרון [58]. שני האופרונים מוסדרים באופן הדוק. הם משתחררים מהדחקה קטבולית רק כאשר מותשים מקורות פחמן מועדפים (למשל גלוקוז) [59]. ה תַחבִּיב אופרון יכול להיגרם על ידי חומצות שומן ארוכות שרשרת (יותר מ -12 אטומי פחמן, ג12) אך לא בעל שרשרת בינונית (C7-11) או שרשרת קצרה (C.2-4) חומצות שומן [60]. מנגד, ה ato אופרון מושרה על ידי חומצות שומן קצרות שרשרת. מכיוון שצריך להפעיל את שני האופרונים כדי להשתמש בחומצות שומן קצרות שרשרת [61], אי - קולי יכול רק להשפיל חומצה בוטרית בזמן רעב, ונוכחות חומצות שומן ארוכות שרשרת אחרות. לכן, אי - קולי בדרך כלל לא יכול לגדול על חומצה בוטירית כמקור הפחמן היחיד שלה. בנוסף, חומצה בוטירית יכולה להיות רעילה לתאים [54], והיא מורידה את ה-pH של מצע הגידול, ובכך חושפת את התאים ללחץ חומצה [62, 63].

כל שלושת הזנים שלנו מקודדים ל- תַחבִּיב אופרון. לעומת זאת, רק זני B ו- K12 מכילים את ato אופרון. למרות שהדוגמנות המטבולית צופה כי זני B ו- K12 קיימים על מטבוליזם של חומצה בוטרית, מכיוון שהגנים הדרושים נמצאים ב תַחבִּיב ו ato אופרונים, BIOLOG [51, 53] שפורסמו ונתוני גדילה אחרים [54] מראים שאף אחד משלושת הזנים הקדמונים שלנו לא יכול. חוסר זה נגרם ככל הנראה על ידי שילוב של רעילות חומצה בוטירית ודיכוי של תַחבִּיב אופרון.

תצפיות אלה מניעות את בחירתנו בזן W כמקבל, ושני הזנים האחרים כתורמים, ומנמקים כי שילוב של רקומבינציה (העברת ato אופרון לנמען W) וייתכן שיהיה צורך במוטציות נקודתיות כדי לאפשר צמיחה של חומצה בוטירית. ליתר דיוק, ובדומה לניסוי HPA, ביצענו ארבעה ניסויים שונים משוכפלים פי שישה המכונים ( > _ < mathrm>^< mathrm> ) , ( > _ < mathrm>^< mathrm> ), (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) , Recוו, ואחריו ניתוח קצב הגדילה ורצף הגנום (איור 1 ב). ניסויים אלו נמשכו 175 מחזורי העברה טוריים (

1155 דורות). שים לב, כל זן תורם הן בניסויים ב- HPA והן בחומצה בוטירית נושא שלושה מקור העברה (OriT) רצפים (קובץ נוסף 1: איור S1) להגדלת יעילות העברת הגן [64].

הסתגלות אבולוציונית על HPA

לאחר כ-400 דורות של אבולוציה מעבדתית (איור 1a), 18 מתוך 4 × 6 = 24 אוכלוסיות המשכפלות שלנו (איור 1a וקובץ נוסף 6: איור S7) הסתגלו לשרוד על HPA. שלוש אוכלוסיות נכחדו ועוד שתיים (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ורשומה אחתק האוכלוסייה הראתה עדות לזיהום וחוסלה מניתוחים נוספים (קובץ נוסף 5: טקסט S1 וקובץ נוסף 7: איור S8).

אנו מאפיינים את היכולת של 18 האוכלוסיות הנותרות לצמוח ב- HPA עם שלושה מבחנים משלימים. המבחן הראשון מבוסס על חלק התאים של אוכלוסייה שיכולים ליצור מושבות על צלחות המכילות HPA כמקור הפחמן היחיד (שיטות). במבחן זה, שני ניסויי הבקרה שלנו (Recק ו- (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ), אחד ללא תורם והשני עם תורם זהה למקבל) הראה חלק בלתי ניתן להבחנה סטטיסטית של תאים המותאמים ל- HPA (איור 2 א וקובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 1, מבחן U-Mann-Whitney , ע' = 0.43). לפיכך, אם התורם זהה לנמען, רקומבינציה והעברת גנים אופקית אינם מספקים יתרון. עם זאת, לא כך היה כאשר התורם שונה מהמקבל ( (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ו- (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ). בשני הניסויים, האוכלוסיות המתפתחות הראו חלק גדול יותר משמעותית של תאים מותאמי HPA מאשר ה-( > _ < mathrm>^< mathrm> ) שליטה (איור 2a וקובץ נוסף 8: טבלה S7, ( > _ < mathrm>^< mathrm> ): test 2, Mann-Whitney Utest, ע' = 0.0079 (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ): מבחן 3, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.0048). חלק התאים המותאמים ל- HPA בשניים ( (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ו-( > _ < mathrm>^< mathrmניסויים לא היו מובחנים סטטיסטית זה מזה (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 4, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.089).

הסתגלות של אוכלוסיות ושיבוטים התפתחו ב-HPA. א חלק מהתאים המותאמים ל- HPA (ציר אנכי) לכל אחד מארבעת הטיפולים הניסיוניים (ששכפלו אותם) (ציר אופקי), כפי שנקבע על ידי מבחן ציפוי (שיטות). עיגולים מלאים מציינים נתונים מכל אוכלוסייה בודדת (אגדת צבע). חלקות זיפם של קופסאות מציגות את החציון (הפס המרכזי), את הרבעון הראשון והשלישי (הפס העליון והתחתון של התיבה), ואת הטווח (שפם) של מרווח של 95% מחלק התאים המסוגלים ליצור מושבות ב-HPA. ב כשירות האוכלוסייה הממוצעת של אוכלוסיות מתפתחות (יהלומים פתוחים, סורגים משתרעים על סטיית תקן אחת משלושה משוכפלים ביולוגיים) וכל אחד מארבעה שיבוטים מבודדים מכל אוכלוסייה משוכפלת (עיגולים מוצקים, כושר ממוצע משלושה משוכפלים ביולוגיים), נמדד כקצב גידול במדיום נוזלי. בתוספת HPA. חלקות זיפם של קופסאות מציגות את חציון הכושר הממוצע של שיבוטים (הסרגל המרכזי), הרבעון הראשון והשלישי (גבולות הקופסה) ואת הטווח של מרווח של 95% מהנתונים (שפם). ' ( שם המפעיל< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ' מציין אוכלוסייה של מקבלי Y שנחשפו לתורם X. כל אוכלוסיה משוכפלת בתוך טיפול מסומנת במספר וצבע מובהק באגדה. נציין שהאבות הקדמונים לא יכלו לגדול ב-HPA (קובץ נוסף 28: איור S3), ולכן לא ניתן לתת כושר ביחס לאב הקדמון. לא מוצגים נתונים על אוכלוסיות שנכחדו במהלך הניסוי, ועל שיבוטים שהראו סימני זיהום (קובץ נוסף 23: טקסט S3)

במבחן השני, קבענו את הגידול של אוכלוסיות מפותחות בתרבית נוזלית על HPA כאינדיקטור לכושר. באופן ספציפי יותר, קבענו את קצב הצמיחה במהלך מחזור גידול של 48 שעות. גילינו שנמענים שנחשפו לתורם ( ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) , ( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) או ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> )) צמח טוב יותר מאשר נמענים שנחשפו ללא תורם (Recק). בנוסף, נמענים שנחשפו לתורם שונה מהם (( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm>,שם מפעיל< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ) גדל טוב יותר מאשר נמענים שנחשפו לאותו תורם ( ( > _ < mathrm>^< mathrm> ) איור 2B, קובץ נוסף 8: טבלה S7, בדיקות 5-6) ונמענים ללא תורמים (Recק איור 2ב וקובץ נוסף 8: טבלה S7, בדיקות 7-8). לעומת זאת, בין אם הנמענים נחשפו לתורמי B או W לא השפיעו על פנוטיפ הצמיחה הסופי (איור 2 ב וקובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 9, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.16).

לבסוף, חזרנו גם על ניתוח הצמיחה הזה עבור ארבעה שיבוטים אקראיים שבודדו מכל אחת מ-18 האוכלוסיות שלנו. במדידות אלה, הנמענים נחשפו לתורם זהה ( ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ) צמח גרוע, בקצב דומה למקבלים שנחשפו ללא תורם (Recק) (איור 2b וקובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 10, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.92). לעומת זאת, נמענים שנחשפו לתורם אחר גדלו הרבה יותר מהר, ללא קשר לתורם (איור 2b וקובץ נוסף 8: טבלה S7, קובץ נוסף 9: טבלה S12). יתרון הכושר שהעניק תורם B היה שוב דומה לזה שהעניק תורם W (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 11 מבחן U-Man-Witney, ע' = 0.41).

העברת גנים אופקית הניעה הסתגלות ל- HPA

ניתחנו גנומים של 35 שיבוטים מ-18 אוכלוסיות משוכפלות שהתפתחו ב-HPA והאבות התורמים והמקבלים, במטרה לזהות את השכיחות של העברת גנים אופקית ותרומתה הפוטנציאלית להסתגלות (ראה שיטות וקובץ נוסף 10: איור S14 לזרימת עבודה אנליטית סיכום). ריצפנו את הגנום למינימום של פי 41 וממוצע כיסוי של פי 99 (קובץ נוסף 11: איור S5).

בששת (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסיות, ראינו ש-2643 גנים הועברו מה- אי - קולי תורם B לפחות לשכפל נמען K אחד (איור 3 א וקובץ נוסף 12: טבלה S16). ל -91.18% (2410) מהגנים המועברים יש אורתולוג בגנום מקבל K, אחוז שאינו גדול באופן משמעותי מ -90.61% הצפוי במקרה בלבד, בהתחשב בכך ש -368 גנים אכן מתרחשים בגנום B אך לא בגנום K (מתוך 4937 גנים שנבדקו באמצעות גישות מבוססות כיסוי ו- SNP מבוססות פולימורפיזם, ראה שיטות, קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 12, פירסון χ 2 ע' = 0.67).

קרקס משרטט גנים שהועברו אופקית בשיבוטים שהתפתחו ב- HPA. א גנים שהועברו אופקית בקרב ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסיות במהלך התפתחות HPA. עלילות הקרקס מציגות כמה מעגלים קונצנטריים. העיגול החיצוני ביותר (קו אפור כהה) מציין קואורדינטות גנומיות (ב- Mb) ממקור השכפול (מסומן כ- 0), מיקומו של oriT ממוקם באינטגרציה של F-פלסמיד, ובשני האחרים oriT רצפים (מלבנים כחולים). המעגל הפנימי ביותר מציג פס שחור רדיאלי בכל מיקום גנומי שבו גן קיים בתורם אך לא בגנום הנמען (K12), כמו גם המיקום של hpa אופרון ב ה. coli REL606 B str. גנום התייחסות. המעגל החציוני (ברים ירוקים) מציג את מספר האוכלוסיות שרכשו גן אחד או יותר מתורם B לפחות באחד משני השיבוטים ברצף (הגובה המרבי של כל פס רדיאלי ירוק תואם שש אוכלוסיות משוכפלות). ב אנלוגי ל (א), אלא שהמעגל האמצעי מדווח כעת על מספר האוכלוסיות שרכשו גנים (ב אי - קולי קואורדינטות גנום B) המתרחשות הן אצל מקבל K הקדמי והן בתורם B אבות. ג ו ד, דומה ל (א) ו (ב), אלא עבור ( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסיות. המעגל הפנימי ביותר מציג פס שחור רדיאלי בכל מיקום גנומי שבו קיים גן ב- אי - קולי W אבל לא הגנום K12. הפסים הכתומים מציגים את מספר האוכלוסיות שרכשו גנים מתורם W לפחות באחד משני השיבוטים ברצף, עבור גנים (ג) שמתרחשים רק בתורם W, ו-ד) המתרחשים הן אצל התורם והן אצל הנמען. פאה, האופרון שאחראי לפירוק תרכובות ארומטיות [56], קיים בזן W (ראה תווית בשעה 4) ובזן K, אך לא בזן B. כל הנתונים מבוססים על הערכה מבוססת כיסוי רצף של אירועי העברת גנים אופקיים (שיטות)

בסך הכל, HPA התפתחו שיבוטים מאוכלוסיות נמענים שנחשפו לתורם B (איור 3 א) הכילו 1.25-55.46% מהגנים שהועברו אופקית בגנום שלהם (49-2159 מתוך 3893 גנים שנבדקו המתאימים לזיהוי העברת גנים אופקית באמצעות כיסוי גנים או פולימורפיזם SNP, ראה שיטות וקובץ נוסף 5: טקסט S1). לשיבוטים אלה היו גם אזורים מרובים לנקודת שבירה של רקומבינציה (קובץ נוסף 13: איור S9A), דבר המצביע על כך שאירעו אירועי העברת גנים אופקיים מרובים. נקודות שבירה התרחשו באופן מועדף באזורים המועשרים באופן משמעותי ב-DNA שחוזר על עצמו (קובץ נוסף 13: איור S9E וקובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 13 ו-14, מבחן U-Mann-Whitney, ע' < 0.0026).

מתוך מוטיבציה מהרעיון כי רקומבינציה הומולוגית מתרחשת לעיתים קרובות באזורים בעלי דמיון ברצף גבוה בין הגנום של הנמען לתורם [11], שאלנו עוד האם אזורי נקודת שבירה מכילים פחות פולימורפיזם נוקלאוטיד יחיד מאשר אזורים גנומיים הנמשכים אקראית באותו אורך. עם זאת, אין הבדלים משמעותיים כאלה (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 15, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.45). הסבר סביר הוא שה אי - קולי הגנום B ו- K12 דומים מאוד (קובץ נוסף 2: טבלה S2) על פני 92% מהגנום [65]. סטייה ברצף עשויה להוות מכשולים מועטים רקומבינציה.

העברת גנים אופקית על ידי צימוד חיידקים מתחילה בדרך כלל ב- an OriT רצף, ומעביר מתיחה רציפה של DNA החל מרצף זה [1]. בניסויים שלנו, הישרדותם של הטרנס -מצמדים לאחר העברה ואינטגרציה גנומית תיקבע במידה רבה על ידי הברירה הטבעית ולא הסחפה גנטית. הסיבה היא שאוכלוסיותינו היו גדולות, עם גודל צוואר בקבוק של 2 × 10 6 פרטים כתוצאה מהעברה תקופתית (צפיפות האוכלוסייה לפני ההעברה הייתה בדרך כלל 1 × 10 8 /מ"ל, והניבה גודל צוואר בקבוק של 20 μl × 1 × 10 8 = 2 × 10 6 אנשים). השפעת הסלקציה ניכרת גם מנתוני הרצף שלנו: בניגוד לציפייה כי שכיחות אירועי ההעברה הנצפים יורדת עם מרחק הגן מה- OriT, אנו מבחינים כי רוב הגנים שהועברו נשמרים רחוקים מכל OriT רצף (מרחק ממוצע: 841.35 kbp) (קובץ נוסף 13: איור S9B). עם זאת, אנו מציינים שחלק מהגנים שהועברו שוב ושוב (איור 3א) עשויים להגיע לתדירות גבוהה בטרמפיאדה, מכיוון שרקומבינציה תוך-גנומית נדירה בגנום שלנו.

בניגוד לניסויים שלנו עם תורם B, פחות גנים הועברו בניסויים שלנו עם תורם W. באופן ספציפי, בחמשת ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrmאוכלוסיות, ראינו כי 319 גנים הועברו מה- אי - קולי תורם W לפחות לשכפל נמען K אחד (קובץ נוסף 12: טבלה S16). ל- 80.88% (258) מהגנים המועברים יש אורתולוג בגנום נמען K, אחוז שאינו גדול באופן משמעותי מה- 82.86% הצפוי במקרה בלבד, בהתחשב בכך ש 811 גנים אכן מתרחשים בגנום W אך לא בגנום K (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 16, פירסון, 2 ע' = 0.37). בסך הכל, שיבוטים שהתפתחו (איור 3 ב) היו רק בין 0.90% ל -7.12% גנים שהועברו אופקית (35-287 מתוך 5387 גנים שנבדקו). שוב, שיבוטים ושובטים מאוכלוסיות משוכפלות שונות לא חלקו את אותן נקודות שבירה של רקומבינציה (קובץ נוסף 13: איור S9C). הבחנו כי 96% (24 מתוך 25) מנקודות השבירה של שם operatorn< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים התרחשו באזורים עם לא יותר משני אלמנטים החוזרים על עצמם, צפיפות של DNA חוזר שאינו שונה מזה שניתן לצפות במקרה בלבד (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 17, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.17). כמו כן, צפינו שנקודות שבירה אלה התרחשו באזורים עם צפיפות SNP הדומה לאזורים שנבחרו באופן אקראי מתוך אי - קולי גנום K12 (קובץ נוסף 8: טבלה S7, בדיקה 18, מבחן U-Man-Whitney, ע' = 0.11).

הברירה השפיעה מאוד על שמירת הגנים שהועברו, מכיוון ששוב, הגנים שהועברו שנשמרו לא היו קרובים יותר ל- OriT רצף, ובדרך כלל התרחש רחוק (871.21 קילו -בייט) ממקור ההעברה הקרוב ביותר (קובץ נוסף 13: איור S9D). השכיחות הנמוכה יותר של גנים מועברים שנשמרו עבור תורם W עשויה להיגרם מהדמיון ברצף הנמוך יותר בין תורם W למקבל K, בהשוואה לתורם B ומקבל K.

כשבדקנו גנים שהועברו הן מתורם W והן מתורם B למקבל, מצאנו 222 גנים כאלה, ל-206 מהם יש אורתולוגים בכל שלושת הגנומים. מספר זה של גנים מועברים גדול משמעותית מהצפוי במקרה בלבד (קובץ נוסף 8: טבלה S7, בדיקה 19, בדיקת אקראית, ע' = 7 × 10 − 5 ).

כולם למעט אחד הגנים (infA) מועברים הן מתורמי W ו- B (218) המקובצים באזור של 350 קילו -בייט המקיפים את מקור השכפול של שני הגנום התורם (איור 3). בסך הכל, 17 גנים הועברו לפחות ל-90% מהשיבוטים מתורמי W וגם B (קובץ נוסף 14: איור S10). שלושה עשר מהגנים הללו מתמקמים באזור המקיף את 11 הגן-hpa אופרון (איור 3 וקובץ נוסף 15: איור S11), התומך ברעיון שהעברת ה- hpa אופרון חשוב לניצול HPA.

בניגוד לגנים שהועברו הן מתורמי W ו- B, אף אחד מהגנים שהועברו מאחד (אך לא משני) התורמים הללו צפוי להיות קשור לניצול HPA (קובץ נוסף 16: טקסט S2).

אין מוטציות דה נובו עם קשרים ברורים למטבוליזם של HPA

לאחר מכן, ביקשנו לזהות מוטציות דה נובו שעשויות גם להקנות הסתגלות ל-HPA (שיטות). לשם כך זיהינו אללים מוטנטים (נגזרים) שהתרחשו בגנום הנמען ושמקורם בגנום זה.גילינו בסך הכל 35 מוטציות כאלה (קובץ נוסף 17: קובץ Excel S1), שרק שלוש מהן היו שם נרדף. הם נכללו בתוך 21 גנים של נמענים (טבלה 1, קובץ נוסף 18: טבלה S8), אך לאף אחד מהגנים הללו אין פונקציה ידועה הקשורה ל- HPA או לחילוף חומרים ארומטיים. ביניהם יש rpoB ו rpoC (קובץ נוסף 17: קובץ Excel S1), אשר לעיתים קרובות חווים מוטציות מועילות בניסויי אבולוציה במעבדה [66,67,68]. מוטציות דה נובו בגנים אלה ואחרים עשויות להיות מעורבות בהסתגלות לסביבת הניסוי הכללית. עוד בדקנו מוטציות דה נובו בגנים שהועברו מהגנום התורם. מצאנו מוטציות כאלה בשלושה גנים מתורם B ובשישה גנים מתורם B, אך לא ידוע שאף אחד מהגנים הללו מעורב בחילוף החומרים של HPA או בתרכובות ארומטיות. שם אחד ( operatorn< mathrm> _ < mathrm>^< mathrmלאוכלוסייה הייתה מוטציה בגן שנרכש אופקית לְזַהוֹת, שנמצא לעתים קרובות גם כמטרה לבחירה חיובית בניסויי אבולוציה ארוכי טווח [66,67,68].

הסתגלות אבולוציונית על חומצה בוטירית

בניסוי השני, התפתחנו באופן מקביל 24 אי - קולי הנמען W משכפל אוכלוסיות לגידול בחומצה בוטירית, עם שישה משכפלים לכל אחד מארבעה תנאי רקומבינציה (איור 1 ב): בראשון ( (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ), חשפנו אוכלוסיות של מקבלי W לתורמים B. בשנייה (( > _ < mathrm>^< mathrm> )), חשפנו אוכלוסיות של מקבלי W לתורמי K. נציין כי תורמי B ו- K מראים סטיית DNA דומה ממקבל ה- W (קובץ נוסף 2: טבלה S2). במצב השלישי והרביעי חשפנו אוכלוסיות של מקבלי W לתורמי W ( (< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> )) או ללא תורמים (Recוו).

הרקומבינציה לא הקלה על הסתגלות חומצת בוטירית

בתחילת הניסוי שלנו, אף תאים נמענים לא הצליחו לגדול על חומצה בוטירית. בסוף הניסוי (1155 דורות, 175 ימים), 16 אוכלוסיות משוכפלות הצליחו לעשות זאת (קובץ נוסף 19: איור S12). שם אחד ( operatorn< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסייה, אחת ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסייה, שלוש ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסיות, ושלוש Recוו אוכלוסיות נכחדו. השכיחות הנמוכה יותר של הכחדה באוכלוסיות עם תורמים שונים (17%) לעומת אוכלוסיות עם תורמים זהים או ללא תורמים (50%) מעידה על יתרון של ריקומבינציה להישרדות אוכלוסיות. באופן כללי יותר, חומצה בוטרית מציבה בבירור אתגרים מהותיים להסתגלות. זה ניכר לא רק מהחלק המהותי של האוכלוסיות (8 מתוך 24) שנכחדו, אלא גם מהתצפית כי הכדאיות על חומצת בוטרית הופיעה מאוחר מאוד בניסוי (מעבר ל -800 דורות קובץ נוסף 19: איור S12) עבור רוב הניצולים. אוכלוסיות.

שוב השתמשנו בשלושה מבחנים שונים כדי לקבוע אם רקומבינציה מספקת יתרון צמיחה להתאמה לחומצה בוטירית. זה לא. ראשית, במבחן הציפוי שלנו (איור 4 א), אוכלוסיות נמענים W המתאחדים עם תורמים שונים הגיעו לצפיפות של שיבוטים מותאמים לחומצת חמאה שלא ניתן להבחין סטטיסטית באוכלוסיות עם אותו תורם ( ( operatorname)< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ), ומאוכלוסיות ללא תורם (Recוו קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחנים 20-25, מבחן U-Mann-Whitney).

הסתגלות לחומצה בוטירית. א חלק של תאים מותאמים לחומצה בוטי (ציר אנכי) לכל אחד מארבעת הטיפולים הניסיוניים (ששכפלו אותם) (ציר אופקי), כפי שנקבע על ידי מבחן ציפוי (שיטות). עיגולים מלאים מציינים נתונים מכל אוכלוסייה בודדת (אגדת צבע). חלקות זיפם של קופסאות מציגות את החציון (הפס המרכזי), את הרבעון הראשון והשלישי (הפס העליון והתחתון של התיבה), ואת הטווח (שפם) של מרווח של 95% מחלק התאים המסוגלים ליצור מושבות ב-HPA. ב כושר ממוצע של אוכלוסיות מפותחות (יהלומים פתוחים, מוטות מתרחבים לסטיית תקן אחת משלושה שכפולים ביולוגיים), וכל אחד מארבעה שיבוטים מבודדים מכל אוכלוסיית שכפול (מעגלים מוצקים, כושר ממוצע משלושה שכפולים ביולוגיים), נמדד כקצב הגידול בנוזל בינוני בתוספת חומצה בוטירית. עלילות זיפם של קופסאות מציגות את חציון הכושר הממוצע של שיבוטים (הסרגל המרכזי), את הרבעון הראשון והשלישי (גבולות התיבה) ואת הטווח של מרווח של 95% מהנתונים (שפם). ' ( שם המפעיל< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ' מציין אוכלוסיות של מקבלי Y שנחשפו לתורם X. כל אוכלוסיה משוכפלת בתוך טיפול מסומנת במספר וצבע מובהק באגדה. נציין שהאבות הקדמונים לא יכלו לגדול בחומצה בוטירית (קובץ נוסף 28: איור S3), ולכן לא ניתן לתת כושר ביחס לאב הקדמון. לא מוצגים נתונים על אוכלוסיות שנכחדו במהלך הניסוי

שנית, בעת הערכת הגידול של אוכלוסיות מפותחות בתרבית נוזלית (איור 4ב וקובץ נוסף 20: טבלה S13), מצאנו כי נמענים שנחשפו לתורמים שונים גדלים בשיעורים הדומים מאוד לאלו שנחשפו לאותו תורם וללא תורם (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 26-30). לבסוף, קבענו גם את צמיחתם של ארבעה שיבוטים המבודדים מכל אוכלוסייה מתפתחת (קובץ נוסף 21: טבלה S14). כאן, ( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ו-( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים הראו כושר סטטיסטי גבוה יותר באופן מובהק מאשר Recוו שיבוטים (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 31, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.00068 מבחן 32, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.022 נתונים גולמיים בקובץ נוסף 21: טבלה S14). עם זאת, רק ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים אך לא ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים גדלו בצורה משמעותית יותר מאשר ( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 33, מבחן U-Man-Whitney, ע' = 0.0018 מבחן 34, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.084). ( שם המפעיל< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים גדלו מעט אך לא טובים משמעותית מ ( operatorname< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) שיבוטים (קובץ נוסף 8: טבלה S7, מבחן 35, מבחן U-Mann-Whitney, ע' = 0.063).

גנים שהועברו אופקית כוללים את ato אופרון

כדי לזהות שינויים גנטיים הקשורים להסתגלות לחומצה בוטירית, ניתחנו רצפי גנום שלם של 30 שיבוטים מ -15 אוכלוסיות שהתפתחו (כיסוי מינימלי פי 24, כיסוי ממוצע פי 99, קובץ נוסף 11: איור S5) ושל תורמי אבות ו נמען (ראה שיטות וקובץ נוסף 10: איור S14 לסיכום זרימת עבודה אנליטית).

בסך הכל, שיעור הגנים שהועברו אופקית היה קטן בהרבה מאשר בניסוי הסתגלות HPA. ב-( מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסיות, שיבוטים בודדים ברצף רכשו לא יותר מ-0.34% מכלל הגנים (8-13 גנים מתוך 3821 גנים שנסקרו המתאימים לזיהוי העברת גנים אופקית, ראה שיטות) מתורם B. בסך הכל, רק 22 גנים הועברו מתורם B לפחות שיבוט אחד ברצף. מחצית מהגנים הללו (11 מתוך 22) קידדו חלבונים היפותטיים, והיו מפוזרים על פני הגנום, עם מרחק זוגי של 40 קילו -בייט לפחות. מכיוון שהאזורים שהועברו היו קצרים, ולרוב היו בהם רק גנים בודדים, הגישה שלנו לא הצליחה לזהות אזורי נקודת שבירה מחדש. המספר הקטן של גנים שהועברו אופקית עשוי לנבוע מיעילות הצימוד הנמוכה של תורם B ומקבל W (3.84 × 10 - 10, קובץ נוסף 5: טקסט S1).

בשם ( operatorn< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) אוכלוסיות, זיהינו רק גנים שהועברו אופקית בשיבוטים מאוכלוסיה אחת (184 מתוך 5387 גנים שנסקרו, איור 5, קובץ נוסף 12: טבלה S16). הגנים שהועברו היו רחוקים בממוצע (325.27 kbp) מהקרובים ביותר OriT (קובץ נוסף 22: איור S13B), המציין תפקיד לבחירה בשמירתם בגנום הנמען. אוכלוסייה זו חוותה אירוע העברת גנים אופקי בקנה מידה גדול (בין 2.44 ל- 2.67 Mb של הגנום של מקבל W, בתוך הגן yejA וקרוב yfdE, קובץ נוסף 22: איור S13A). נקודות השבירה מחדש לא היו ייחודיות מבחינת צפיפות ה- DNA החוזרת שלהן (קובץ נוסף 22: איור S13C), שהכילה לכל היותר אלמנט אחד שחוזר על עצמו. הם הראו צפיפות SNP של עד 11 SNPs/kbp של הגנום.

קרקס משרטט את התפלגויות הגנים שהועברו אופקית בין שיבוטים שהתפתחו בחומצה בוטרית. א גנים שהועברו לכאורה אופקית בקרב מקבלי W שנחשפו לתורמי K ב-(מפעילשם< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ניסויים במהלך אבולוציה אדפטיבית על חומצה בוטירית. עלילות הקרקס מציגות כמה מעגלים קונצנטריים. העיגול החיצוני ביותר (קו אפור כהה) מציין קואורדינטות גנומיות (ב- Mb) ממקור השכפול (מסומן כ- 0), מיקומו של oriT ממוקם באינטגרציה של F-פלסמיד, ובשני האחרים oriT רצפים (מלבנים ירוקים). המעגל הפנימי ביותר מציג פס שחור רדיאלי בכל מיקום גנומי שבו קיים גן בתורם האבות (K) אך לא בגנום הנמען (W) (בקואורדינטות הגנום K). המעגל האמצעי מציג את מספר האוכלוסיות שרכשו גן אחד או יותר בלפחות אחד מהשיבוטים ברצף של האוכלוסייה באותו מקום בתורם K, כגובה של כל סרגל רדיאלי ירוק (גובה מרבי המתאים לחמש אוכלוסיות) . ב אנלוגי ל (א), אלא שהמעגל האמצעי מדווח כעת על מספר המשובטים ברצף שרכשו את הגן במיקום זה רק עבור גנים המתרחשים הן אצל מקבל W האבות והן בתורם K אבות. שימו לב שכל מיקומי הגנים נמצאים בקואורדינטות של אי - קולי גנום התייחסות K12. כל הנתונים מבוססים על הערכה מבוססת כיסוי רצף של גנים שהועברו אופקית (שיטות). המיקום של ato אופרון (ב-2.32 מגה-ביט), המעורב בפירוק חומצת בוטירית מסומן במעגל הפנימי ביותר

84.88% (174 מתוך 205) מהגנים המועברים הגיעו מאזור ארוך בצניעות בין נקודות השבירה הללו (216 קילו -בייט, 4.70% מה- אי - קולי גנום). התמקדנו ב -29 הגנים שאין להם אורתולוגים בגנום מקבל W, והנמקנו כי העברת גנים אלה עשויה להועיל להתאמת חומצה בוטירית. 25 מהגנים הללו מתחלקים לשני אופרונים מטבוליים (ato, rhm) וה gtr, yfb ו- yfd אופרונים. כפי שדנו לעיל, ato אופרון חשוב למטבוליזם של חומצה בוטרית [61]. הוא מקודד לטרנספורטר AtoE של חומצות שומן קצרות שרשרת, כמו גם אצטט CoA transferase (AtoD-AtoA complex), ו-acetoacetyl-CoA thiolase (AtoB) [59]. בניגוד ל ato אופרון, ה rhm, yfb ו yfd אופרונים לא היו מעורבים במטבוליזם של חומצת הבוטיר (ראה קובץ נוסף 23: טקסט S3 לפרטים).

מוטציות דה נובו במהלך הסתגלות חומצה בוטירית

ב-30 הגנומים שניתחנו, מצאנו 43 מוטציות (קובץ נוסף 24: קובץ Excel S2) ב-22 גנים (טבלה 1 וקובץ נוסף 25: טבלה S9) שמקורם במקבל W הקדמון. שלוש עשרה ממוטציות אלה הן שם נרדף. בין הגנים שעברו מוטציה נמצאים glpK, rpoB ו- rpoC (רק rpoC הראו מוטציות מקבילות בשם ( operatorn< mathrm> _ < mathrm>^< mathrm> ) ורשומה אחתוו אוכלוסייה), אשר עשויה לשדר יתרונות צמיחה כלליים בסביבת המעבדה [67,68,69]. כמו כן, צפינו מוטציות מקבילות בגנים של הווסת הקטבולי crp, cpdA, ו cpdB (קובץ נוסף 25: טבלה S9). בנוסף, מוטציות מקבילות התרחשו בגנים המעורבים בייצור וצריכת אצטט (למשל sucA ו ackA קובץ נוסף 25: טבלה S9, קובץ נוסף 24: קובץ Excel S2) [62, 70, 71].


בקרב מינים שונים של אאוקריוטים, ההיקף והמשמעות האבולוציונית של העברת גנים אופקית נשארים לא מובנים. מחקר שפורסם לאחרונה על ידי פריזן ועמיתיו מצביע על כך שהעברת גנים לאחרונה בין שני מיני פטריות אפשרה לנמען לרכוש במהירות ארסיות גבוהה על חיטה. המחקר מדגיש מנגנון שבאמצעותו פתאום יכולות להופיע מחלות, אך גם מעלה את הנושאים השנויים במחלוקת כיצד מתרחשת העברת גנים אופקית והאם מחסומי חוסר תאימות פטרייתית לזרימת הגן 'דולפים' יותר ממה שחשבו בעבר.

אנו משתמשים בעוגיות כדי לעזור ולשפר את השירות שלנו ולהתאים תוכן ומודעות. על ידי המשך אתה מסכים ל שימוש בעוגיות .


יסודות גנטיים הניתנים להחלפה בפרוקריוטים

רצפי החדרה, או אלמנטים של רצף החדרה (IS), ידועים כיום כקטעים של DNA חיידקי שיכולים לעבור ממיקום אחד על כרומוזום למיקום אחר באותו כרומוזום או על כרומוזום אחר. אלמנט IS מכיל רק גנים הנדרשים לגיוס היסוד ולהחדרת היסוד לכרומוזום במיקום חדש. יסודות האם הם מרכיבים נורמליים של כרומוזום חיידקים ופלסמידים.

כאשר אלמנטים של IS מופיעים באמצע הגנים, הם קוטעים את רצף הקידוד ומבטלים את ביטוי הגן הזה. בשל גודלם ובמקרים מסוימים נוכחותם של אותות סיום שעתוק ותרגום, אלמנטים של IS יכולים גם לחסום ביטוי של גנים אחרים באותו אופרון אם גנים אלה נמצאים במורד הזרם מהמקדם של האופרון.

יסודות IS נמצאו לראשונה ב- E. coli כתוצאה מהשפעותיהם על ביטוי קבוצה של שלושה גנים שמוצריהם נחוצים במטבוליזציה של גלקטוז הסוכר כמקור פחמן. מחקרים קפדניים הראו כי הפנוטיפים המוטנטים נבעו מהכנסת קטע DNA של כ- 800 זוגות בסיס (bp) לגן. קטע DNA מסוים זה נקרא כעת רצף החדרה (IS1).

מאפייני רכיבי IS:

Is1 הוא האלמנט הגנטי המסוגל לנוע סביב הגנום. הוא משתלב בכרומוזום במיקומים שאין לו הומולוגיה, ובכך מבדיל אותו משילוב מחדש. אירוע זה הוא דוגמה לאירוע טרנספוזיציה. ישנם מספר מרכיבי IS שזוהו ב- E. coli, כולל IS1, IS2 ו- IS 10, שכל אחד מהם נמצא ב -0 עד 30 עותקים לגנום, ולכל אחד אורך אופייני ורצף נוקלאוטיד ייחודי.

IS 1 הוא באורך 768 bp, והוא קיים ב-4 עד 19 עותקים על כרומוזומי E. coli. IS2 קיים ב-0 עד 12 עותקים על כרומוזום E. coli ובעותק אחד על פלסמיד F, ו-IS 10 נמצא בקבוצת פלסמידים הנקראים פלסמיד R שיכולים להשתכפל ב-E. coli (איור 12.1).

בין הפרוקריוטים, יסודות ה- IS הם מרכיבי תאים נורמליים, כלומר הם נמצאים ברוב התאים. בסך הכל, רכיבי IS מהווים כ. 0.3% מהגנום של התא ’. כל רכיבי ה-IS שצורפו לרצף, מסתיימים בחזרות טרמינליות הפוכות (IR) מושלמות או כמעט מושלמות של בין 9 ל-41 bp. המשמעות היא שבעצם אותו רצף נמצא בכל קצה של IS אך באוריינטציות הפוכות.

טרנספוזיציה של IS:

כאשר מתרחשת טרנספוזיציה של אלמנט IS, עותק של אלמנט IS מוכנס למיקום כרומוזום חדש בעוד אלמנטי ה-IS המקוריים נשארים במקומם. כלומר, טרנספוזיציה דורשת שכפול מדויק של יסוד ה- IS המקורי, תוך שימוש באנזימי השכפול של התא המארח. הטרנספוזיציה בפועל דורשת גם אנזים המקודד על ידי אלמנט ה-Is הנקרא טרנספוזאז.

רצפי ה- IR חיוניים לתהליך הטרנספוזיציה, כלומר רצפים אלה מוכרים על ידי transposase ליזום טרנספוזיציה. האם יסודות מוכנסים לכרומוזומים באתרים שאיתם אין להם הומולוגיה רצפית?

רקומבינציה גנטית בין רצפים לא הומולוגיים נקראת רקומבינציה לא לגיטימית. האתרים שאליהם מכניסים רכיבי IS נקראים אתרי יעד. תהליך החדרת IS לכרומוזום מוצג באיור 12.2. ראשית, מבצעים חיתוך מתויג באתר היעד ולאחר מכן מוכנס אלמנט ה-IS, והופך להיות מחובר לקצוות גדילי הג'ינגל.

הפערים ממולאים על ידי DNA פולימראז ו-DNA ligase, מייצרים אלמנט IS משולב עם שתי חזרות ישירות של רצף אתר המטרה שמאגף את אלמנט IS. ‘Direct’ במקרה זה אומר ששני הרצפים חוזרים על עצמם באותה כיוון. החזרות הישירות נקראות כפילויות של אתר יעד. הגדלים של שכפול אתרי היעד משתנים בהתאם למרכיבי ה- IS, אך נוטים להיות קטנים. שילוב של מרכיבי IS מסוימים מראה העדפה לאזורים מסוימים, בעוד שאחרים משתלבים רק ברצפים מסוימים.

לכל העותקים של רכיב IS נתון יש אותו רצף, כולל זה של החזרות הטרמינל ההפוך. מוטציות המשפיעות על רצף החזרה הטרמינלית ההפוכה של רכיבי IS משפיעות על טרנספוזיציה, מה שמצביע על כך שרצפי החזרה הטרמינליים ההופכים הם רצפי המפתח המזוהים על ידי טרנספוזאז במהלך אירוע טרנספוזיציה.

(2) טרנספוזיונים פרוקריוטיים:

טרנספוזון (Tn) מורכב יותר מאלמנטים של IS. טרנספוזון הוא קטע DNA נייד, שכמו יסוד IS מכיל גנים להכנסת קטע ה- DNA לכרומוזום ולניוד היסוד למקומות אחרים בכרומוזום. ישנם שני סוגים של טרנספוזונים פרוקריוטים: טרנספוזונים מרוכבים וטרנספוזונים שאינם מרוכבים.

(1) טרנספוזיונים מורכבים:

הם טרנספוזונים מורכבים עם אזור מרכזי המכיל גנים, למשל גנים של עמידות לתרופות, שלצידם צדדים אלמנטים של IS (נקראים גם מודולי IS). אורך הטרנספוזונים המורכבים עשוי להיות באלפי זוגות בסיס. רכיבי ה-IS הם שניהם מאותו סוג ונקראים IS-L (עבור “left”) ו-IS-R (עבור “right”). בהתאם לטרנספוזון, IS-L ו- IS-R עשויים להיות בכיוון זהה או הפוך יחסית זה לזה. מכיוון של- ISS עצמם יש חזרות הפוכות סופניות, לטרנספוזונים המורכבים יש גם חזרות הפוכות סופניות.

איור 12.3 מציג את המבנה של הטרנספוזון המרוכב Tn 10 כדי להמחיש את התכונות הכלליות של טרנספוזונים כאלה. הטרנספוזון Tn 10 הוא באורך 9,300 bp ומורכב מ-6,500 bp של DNA מרכזי, שאינו חוזר על עצמו, המכיל את הגן העמידות לטטרציקלין, מוקף בכל קצה עם אלמנט IS של 1,400 bp. רכיבי IS אלה נקראים IS10L ו- IS10R והם מסודרים בכיוון הפוך. תאים המכילים Tn 10 עמידים לגן עמידות לטטרציקלין הכלול ברצף ה-DNA המרכזי.

טרנספוזיציה של טרנספוזון מורכב מתרחשת בגלל הפונקציה של רכיבי ה-IS שהם מכילים. רכיב IS אחד או שניהם מספק את הטרנספוזאז. החזרות ההפוכות של רכיבי ה-IS בשני הקצוות של הטרנספוזון מזוהות על-ידי טרנספוזה כדי להתחיל טרנספוזיציה (כמו בטרנספוזיציה של רכיבי IS).

טרנספוזיציה של Tn 10 היא נדירה, מתרחשת פעם ב-10 דורות של תאים.זה המקרה מכיוון שפחות ממולקולת טרנספוזאז אחת ליצירת תא נוצרת על ידי Tn 10. כמו אלמנטים של IS, טרנספוזונים מרוכבים מייצרים כפילויות של אתר המטרה לאחר הטרנספוזיציה.

(2) טרנספוזיונים לא מרוכבים:

הם אוהבים טרנספוזונים מרוכבים, מכילים גנים כגון אלה העמידים לתרופות. שלא כמו טרנספוזונים מורכבים, הם אינם מסתיימים עם רכיבי IS. עם זאת, יש להם בקצוות את הרצפים החוזרים ונשנים הנדרשים לצורך טרנספוזיציה. Tn3 הוא טרנספוזון שאינו מורכב.

ל-Tn3 יש חזרות קצה הפוכות של 38 bp ומכיל שלושה גנים באזור המרכזי שלו. אחד מאותם גנים, bla, מקודד ל- β-lactamase המפרק אמפיצילין ולכן הופך תאים המכילים Tn3 לעמידים בפני אמפיצילין. שני הגנים האחרים, tnpA ו- tnpB, מקודדים לאנזימים transposase ו- resolvase הדרושים לצורך טרנספוזיציה של Tn3 (איור 12.4). טרנספוזאז מזרז את החדרת ה-Tn לאתרים חדשים, ורזולוזה הוא אנזים המעורב באירועים מחדש-קומבינציוניים מסוימים הקשורים לטרנספוזיציה.

Resolvase לא נמצא בכל הטרנספוזונים. הגנים לטרנספוזיציה נמצאים באזור המרכז עבור טרנספוזונים שאינם מרוכבים, בעוד שהם נמצאים ברכיבי ה- IS הסופניים עבור טרנספוזונים מרוכבים. טרנספוזונים שאינם מרוכבים גורמים גם לכפילויות של אתר יעד כשהם זזים.

(3) מנגנון טרנספוזיציה בפרוקריוטים:

מספר מנגנוני טרנספוזיציה שונים מופעלים על ידי אלמנטים טרנספוזיים פרוקריוטיים. וכפי שנראה מאוחר יותר, יסודות אוקריוטים מפגינים עדיין מנגנונים נוספים של טרנספוזיציה. ב- E. coli, אנו יכולים לזהות אופני טרנספורמציה משכפלים ושמרניים (לא משכפלים). במסלול המשכפל, עותק חדש של האלמנט הניתן להחלפה נוצר באירוע השינוי. תוצאות השינוי הן שהעתק אחד מופיע באתר החדש והעתק אחד נשאר באתר הישן. במסלול השמרני, אין שכפול. במקום זאת, האלמנט נכרת מהכרומוזום או הפלסמיד ומשולב באתר החדש (איור 12.5).

טרנספוזיציה רפליקטיבית:

הטרנספוזיציה של Tn3 מתרחשת בשני שלבים. ראשית, הטרנספוזזה מתווך את היתוך של שתי מולקולות, ויוצרות מבנה הנקרא קואינטגרט. במהלך תהליך זה, הטרנספוזון משוכפל, ומוסיפים עותק אחד בכל צומת במכלול. שני Tn3 מכוונים באותו כיוון. בשלב השני של הטרנספוזיציה, הרזולוזה המקודדת tnpR מתווך אירוע ריקומבינציה ספציפי לאתר בין שני האלמנטים Tn3. אירוע זה מתרחש ברצף ב- Tn3 הנקרא res, אתר הרזולוציה, ויוצר שתי מולקולות, שלכל אחת יש עותק של הטרנספוזון.

למוצר הגן tnpR יש גם פונקציה נוספת, כלומר לדכא את הסינתזה של חלבוני הטרנספוזאז והרזולוואז. הדחקה זו מתרחשת מכיוון שאתר ה- res ממוקם בין הגנים tnpA ו- tnpR. על ידי קישור לאתר זה, החלבון tnpR מפריע לסינתזה של שני תוצרי הגנים, ומשאיר אותם במחסור כרוני. כתוצאה מכך, אלמנט Tn3 נוטה להישאר ללא תנועה (איור 12.6).

טרנספוזיציה שמרנית:

חלק מהטרנספוזונים, כגון Tn10, נכבים מהכרומוזום ומשתלבים ב- DNA המטרה. במקרים אלה, שכפול DNA של היסוד אינו מתרחש, והיסוד הולך לאיבוד ממקום הכרומוזום המקורי. מנגנון זה נקרא טרנספוזיציה שמרנית (לא משכפלת) או הכנסה פשוטה. Tn 10, למשל, עובר על ידי טרנספוזיציה שמרנית.

הכנסת טרנספוזון למסגרת הקריאה של הגן תשבש אותו ותגרום לאובדן תפקוד של אותו גן. החדרה לאזור השולט של הגן עלולה לגרום לשינויים ברמת הביטוי של הגן. אירועי מחיקה והכנסה מתרחשים גם כתוצאה מפעולות הטרנספוזונים, וממעבר בין טרנספוזונים משוכפלים בגנום.

(3) יסודות IS וטרנספוזונים בפלסמידים:

העברת החומר הגנטי בין ה-E. coli המצומד היא תוצאה של תפקוד גורם הפוריות F. גורם ה-F, מולקולת DNA כפולה מעגלית, היא אחת הדוגמאות לפלסמיד חיידקי. פלסמידים כגון F המסוגלים גם להשתלב בכרומוזומי החיידק נקראים אפיזומים. גורם F מורכב מ 94,500 bp של DNA המקודד למגוון חלבונים.

המרכיבים החשובים הם:

(i) גן העברה (טרא) הנדרש להעברת הצימוד של ה-DNA.

(ii) גנים המקודדים חלבונים הנדרשים לשכפול הפלסמיד,

(iii) ארבעה יסודות IS, שני עותקים של IS3, אחד של IS2, ואחד מרכיב רצף הכנסה הנקרא גמא-דלתא.

מכיוון שלכרומוזום ה- E. coli יש עותקים של ארבעת רצפי ההכנסה הללו במיקומים שונים, גורם F יכול להשתלב בכרומוזום ה- E. coli באתרים שונים ובאוריינטציות שונות עם רצף הומולוגי של יסודות ההכנסה.

סוג אחר של פלסמידים בעל משמעות רפואית הוא קבוצת פלסמיד R, שהתגלתה ביפן בשנות החמישים, במהלך התרופה לדיזנטריה. המחלה היא תוצאה של הדבקה על ידי החיידק הפתוגני שיגלה. שיגלה נמצאה עמידה לרוב האנטיביוטיקה הנפוצה.

לאחר מכן, הם גילו שהגנים האחראים להתנגדות התרופה נשאו על פלסמידים R, שיכולים לקדם את העברת הגנים בין חיידקים על ידי הצמדה, בדיוק כמו גורם F. מקטע אחד של פלסמיד R שהוא הומולוגי למקטע בגורם F הוא החלק הדרוש להעברה זוגית של גנים.

קטע זה והגנים הספציפיים לפלסמיד לשכפול DNA מהווים את מה שנקרא אזור RTF (גורם העברת התנגדות) (איור 12.7). שאר פלסמיד R שונה מסוג לסוג וכולל את הגנים העמידים לאנטיביוטיקה או סוגים אחרים של גנים בעלי משמעות רפואית, כגון עמידות ליוני מתכת כבדה.

גני ההתנגדות בפלסמיד R הם למעשה טרנספוזונים, כלומר כל גן התנגדות ממוקם בין קטעים צמודים וחוזרים ישירות כגון אחד ממודולי ה- IS (איור 12.8). לפיכך, ניתן להכניס כל טרנספוזון עם גן ההתנגדות שלו בפלסמיד R למיקום חדש על פלסמידים אחרים או על הכרומוזום החיידקי, ובמקביל להשאיר מאחור עותק שלו במיקום המקורי.

(4) Phage mu:

פאג מו הוא פאג המופיע בדרך כלל. אנו רואים את זה כאן מכיוון שלמרות שזהו וירוס אמיתי, יש לו הרבה תכונות משותפות עם אלמנטים של IS. סליל ה- DNA הכפול של הפאג הזה הוא 36,000 נוקלאוטידים שאורכם הרבה הרבה יותר מרכיב IS. עם זאת, נראה שהוא מסוגל להחדיר את עצמו בכל מקום בגנום חיידקי או פלסמיד בכל כיוון. לאחר הכנסתו, הוא גורם למוטציה במוקד ההחדרה - שוב כמו אלמנט IS. (הפאג קיבל את שמו של היכולת הזו: mu מייצג “mutator.”)

בדרך כלל לא ניתן לבטל מוטציות אלה, אך ניתן לייצר היפוך על ידי מניפולציות גנטיות מסוימות. כאשר נוצרת היפוך זה, הפאגים שניתן לשחזר אינם מראים מחיקה, מה שמוכיח שהכריתה מדויקת וכי החדרת הפאג אינה כרוכה גם באובדן של חומר הפאג. לכל חלקיק פאג בוגר יש מכל קצה פיסת DNA צמודה מהמארח הקודם שלו (איור 12.9). עם זאת, ה-DNA הזה לא מוחדר מחדש למארח הבא. תפקידו אינו ברור. לפאג מו יש גם רצף IR, אך אף אחד מהאלמנטים החוזרים ונשנים אינו נמצא בקצה.

Mu יכול גם לפעול כמו אטב הצמד גנטי, לגייס כל סוג של DNA ולהעביר אותו לכל מקום בגנום. לדוגמה, הוא יכול לגייס עוד פאג (כגון λ) או גורם F. במצבים כאלה, ה- DNA המוחדר מוקף על ידי שני גנום מו (איור 12.10).


העברת DNA מחיידקים לאוקריוטים

מבחינה היסטורית, בני הסוג Agrobacterium נחשבו למיני החיידקים היחידים שמסוגלים באופן טבעי להעביר ולשלב DNA בגנום של המארחים האאוקריוטים שלהם. עם זאת, עדויות הולכות וגוברות מצביעות על כך שיכולת זו להפוך טרנספורמציה גנטית לתאי מארח אוקריוטים עשויה להיות נפוצה יותר בעולם החיידקים. ואכן, ניתוחים של צבירת נתונים גנומיים חושפים מקרים של העברת גנים אופקית מחיידקים לאיקריוטים ומציעים שהיא מייצגת כוח משמעותי בהתפתחות ההסתגלות של מינים אוקריוטים. באופן ספציפי, דיווחים אחרונים מצביעים על כך שלחיידקים שאינם Agrobacterium, כגון Bartonella henselae (פתוגן זואונוטי), Rhizobium etli (חיידק צמחי סימביוטי הקשור ל- Agrobacterium), או אפילו Escherichia coli, יש את היכולת להפוך את התאים המארחים שלהם גנטית תחת מעבדה. תנאים. העברת DNA זו מסתמכת על מערכות הפרשה מסוג IV (T4SSs), המכונות המולקולריות המעבירות מקרומולקולות במהלך העברת פלסמיד מצומד וגם במהלך הובלה של חלבונים ו/או DNA לתאי המקבל האוקריוטיים. במאמר סקירה זה, אנו בוחנים את מידת ההעברה האפשרית של מידע גנטי מחיידקים לתאים אוקריוטים, כמו גם את ההשלכות האבולוציוניות והיישומים הפוטנציאליים של העברה זו.

זכויות יוצרים © 2016 לקרואה וסיטובסקי.

דמויות

סיכום סכמטי של הטבע הידוע ...

סיכום סכמטי של מסלולים טבעיים וניסיוניים ידועים להעברת DNA מחיידקים ...


HGT והשפעתו על ה- DNA & quotTrees & quot ו- rRNA Phylogenies

מספר קבוצות חוות פילוגניה אורגניזמלית משנית באמצעות צמחייה המכונה תוכן גנטי (Fitz-Gibbon and bungalow 1999 Snel, Bork, and Huynen 1999 Tekaia, Lazcano ו- Dujon 1999). התקרבות זו משתמשת בקיומו העצום של גן כדמות, ודנדרוגרמות מקוריות שנוצרו כך אכן מסבירות את האנלוגיה המהותית בתאגיד של פילוגניות rRNA 16S המקובלות, משחזרות את המחיצה של שלושת התחומים ואת הקשר של הגנום המתחיל את החברים של ה-16S rRNA. פילה ללא שינוי. גם אם ניתוחים עדכניים אחרים יסיקו ש- HGT מילאה תפקיד ניכר בחומרי DNA מכריעים (סנל, בורק והוינן 2002), ההבדלים בין ההשלכות הללו יחד עם מספר לא מבוטל של פילוגניות של גנים ספציפיים לקידוד חלבונים, המבצעים התנגשויות דרמטיות. לעצים מרוצים הדדיים של rRNA 16S והגנום. ככל שהתכתבות בכל הנוגע לעצים בתכולת גנים המבוססת על רצפי גנום שלמים ופילוגניות rRNA 16S תיתן את הרושם לטעון כי ל- HGT היה חלק מסוים בעיצוב ההתפתחות של שושלות מיקרוביאליות. (Snel et al, 2002).

בקרבת מקום יש הסבר נוסף שניתן לביצוע לאנלוגיה הכוללת צמחייה ותכולת גנים ופילוגניות המבוססות על rRNA. פילוגניות rRNA מאלצות הענקה על ידי ניתוחי תוכן גנים שכן גנים של rRNA הם בעצמם מגוון, ובשיתוף פעולה פילוגניות מעוררות העברת חומר גנטי בקנה מידה גדול. רקומבינציה אינטראגנית הייתה ניסיונית בגנים שונים, ונהלי המרת גנים דואגים לבחור עותקים של גנים משוכפלים הניתנים להשוואה לאחד יותר (Gogarten and Olendzenski 1999).

הכרה בשינוי RNA המוקף ובאמצע השושלות מבנה מחדש את האבולוציה המיקרוביאלית בהתנהלות נוספת מאשר הגשת פרשנויות חדשות לחיקוי פילוגניה מיקרוביאלית. מודלים קבועים של אבולוציה מיקרוביאלית על ידי תהליכי מוטציה, המשולבים באמצעות מדידת סובלנות סביבתית בסביבות מעבדה, מעניקים התייחסות לנישות אקולוגיות כתחומים סטטיים במקצת, שבתוכם אורגניזמים מתפתחים באופן לא מפתיע בדרך לכושר מקסימלי. לדוגמה, ניתן לחשב שהאורגניזמים משתפרים בהתאמה לאחר התבגרות במשך אלפי דורות בסביבה מוגבלת בגלוקוז (Papadopoulos et al. 1999). חיידקים עשויים להיות מוגבלים לכימוסטטים יכולים לאתגר עבורם קמפיין ולהמציא נישות חדשות. לדוגמה, זני חיידקים שבחרו בנטילת גלוקוז יכולים ליצור זנים מיקרוביאליים המתמחים בניקוי חומרי הרס אצטט (Treves, Manning, and Adams 1998).

קבלת האבולוציה על ידי HGT כשיטה לרכישת נישה ולא לסירוגין של ניצול מקום יש השלכות בלתי צפויות. לדוגמה, כוח הטרוטרופי מזופיל מועיל בדלת למיקום עשיר במצע אך חם מדי, המשמש אוטוטרופים תרמופיליים במידה בינונית, סיים את הרכישה של גנים המקודדים גרסאות תרמו-יציבות במיוחד של חלבונים שהמגבלות שלהם מבססות את טמפרטורת הציסטה הטובה יותר שלה. ניתן להעלות על הדעת, הגנים החדשים שנרכשו מותאמים בצורה גרועה ביותר למנגנון התא הנוסף של ההטרוטרופים, כך שבמטרה להגדיל את הזמן בסביבה היא אטית להחריד והאורגניזמים מתחלקים לגנים החדשים הללו לא יכולים להתחרות בסביבה הייחודית. הם בכל זאת יהיו ההטרוטרופים הצודקים בטמפרטורה הגבוהה יותר ויכולים להשתלט שם. לפיכך, רכישת נישות יכולה להיות באמצע מתוך כוונה של עשרות אורגניזמים משתלמים באשר לייחודן של הנישות שגילו לאחרונה מעט יותר מהסיבה של כוונון עדין של מכונות הסלולר שלהם ביחס לניצול הנישה.

הנישות המיוצרות על ידי חומר גנטי הופכות הליכים שונים מאוד ביציבותם או בחידושם. אירועים נבחרים, המזכירים רכישה של גן עמידות לאנטיביוטיקה, מאפשרים חקירה חולפת של סביבה חדשה, אך ייתכן שהקו הזה לא יימשך שלב אבולוציוני סיים (כלומר, רצון הניסיון הזה כנראה לא יבסס חיפוי של חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה המובחן על ידי יכולתם המשותפת להיות חזקה לאנטיביוטיקה מובהקת). פעולות נוספות מתואמות בחברה של מחקר ארוך שנים של נישות חדשות, המתקרבות לרכישת אופרון הלאק על ידי E. coli או איי פתוגניות על ידי סלמונלה. לעיתים רחוקות, הזדמנות להעברת חומרים גנטיים עשויה להעמיד לרשותם יצירת אורגניזמים מגוונים באופן קיצוני כדי לאכלס נישות בלתי נגישות לחלוטין על ידי אורגניזמים המסתמכים על תהליכים מוטציה המבודדים לחקר סביבות. דוגמאות לשושלות כאלה חובקות את הצמחים הבלתי מאומנים (רוכשים כלורופלסט על ידי אנדוסימביוזה [Bonen and Doolittle 1975), methanotrophs (הצוברים את הכישרון ליצור קו-פקטורים שליליים על ידי רכישת גנים המתחילים ארכיאה מתנוגנית [Chistoserdova et al. כמשאבות פרוטונים מונעות על ידי אור (Beja et al. 2001).

העתק קלאסי לעיבוד היה סט השערת סולמות Shifting (רייט 1982). שינויים אדפטיביים עשויים להצביע על עצמם ונעשים עם מגוון מוטציות עוקבות, ואולי גם סביב גנים ספציפיים לגנום, הם קציר של תהליכים דרוויניים אופייניים כל כך. אבל רקומבינציה תוך-גני יכולה להקל על חקירה מפורשת של נוף אדפטיבי זה, מהסיבה שהעמקים בעלי הבריאות הנמוכה אינם דורשים בשום אופן לחצות (Bogarad ושקול 1999). אללים משתנים בין עדינות כמעט אופטימלית עשויים להיות משולבים מחדש כדי להביא שינויים מורכבים בו זמנית, בדרך זו הימנעות היווצרות של מצבי ביניים לא אופטימליים.

HGT מציעה היקף מושהה לדגמים אלה, המופיעים לבסוף מתוך כוונה לשלב מחדש בין גרסאות נגישות, ומציע שיא לשיא כושר. למרות שפסגות כושר גופני כלל אינן נבדקות אם יש להגיע לחומר גנטי אחד בכל פעם, גנים רבים עשויים להיות מאובטחים כאופרונים חיידקיים ואשכולות RNA (לורנס ואח '2001).

מנקודת מבט אבולוציונית, גיוון החילוץ נתפס לעתים קרובות כאירוע מיידי, שיא לאחר מכן שבו גנים בשתי קבוצות של אורגניזמים כבר אינם בתקשורת גנטית. רקומבינציה תקועה בין אוכלוסיות בלוקוסים כאלה עשויה לתת כמות מופחתת של צאצאים בכושר להקל על בחירתם נגדית. רקומבינציה הומולוגית יכולה לשנות אללים תקועים בין אוכלוסיות כאלה במקומות שאינם מעורבים בפתיחת תיחום אקולוגי (לורנס 2002).

זה בסדר עם הכוונה של RNA משוכפל בכל גיל חדר קטן מחלק. באורגניזמים לבטל, גנים אינם מבוקרים כדי לפתח פונקציות ביוכימיות גלויות. יתרה מכך, הכיסוי הפונקציונלי של תוצאת החומר הגנטי עשוי להתנפח ולכלול פעולות משלימות או פונקציות נבחרות ממוצרי ה-DNA עשויות להיות מרותקות אם פונקציות אינן חמורות באורגניזם זה. אם הגנים כלל לא הוכנסו מחדש להוטים על הציטופלזמה התואמת ותפקידם האקולוגי מעולם לא הוכר אז, גנים אורתולוגיים נמשכים בהקשרים ציטופלסמיים לא מחוברים. אם הגנים מתאחדים מחדש בציטופלזמה השווה, הם מחויבים לשלוט בייחודיות הפיזיולוגית שהושגה, בשיתוף פעולה. הכנסה מחודשת של גנים המעוניינים בגנום השווה מתווכת על ידי העברת DNA, עם רקומבינציה הומולוגית באותה מידה באמצעות הצלבה לא מתאימה לכאן, זן מרודיפלואידי נוצר בסימן ראשוני של החלפת DNA, ו-HGT, שהיא הדרך הדרמטית בכמות גדולה. של מתן אפשרות למסור חומר גנטי כדי לבסס גנים פרלוגיים המתעניינים בתא ללא שינוי.

בהתקרבות האבולוציונית-תיאורטית ההעברה האופקית, בעיקר כפי שהיא מתרחשת בין איקריוטים וחיידקים, היא תצהיר לאחדות יוצאת דופן של מנגנונים מולקולריים-ביולוגיים בכל סוגי התאים שמשפיעה על התאימות של חלבונים איקריוטים וחיידקיים עם מטרת דב התפתח בסביבה הבולטת שלהם במשך מיליארדי שנים. בעוד שההתאמה המשותפת של החלבונים בכוח האבולוציה מחזיקה הובלה אופקית של סוגים מסוימים של גנים, פעולות של הרבה מערכות פונקציונאליות פועלות כמתאימות לחלוטין. אפשר לחשוב שזה מעלה הגדרה ישירה של ביטוי החלבונים האוקריוטיים בחיידקים המנוצלים באופן שגרתי במעבדה. זה משמעותי במיוחד עבור פריקת חומרים גנטיים קסנולוגיים מהסיבה שבמקרים אלה, הסוגים ההטרולוגיים של הגן המועברים בבת אחת חייבים להתברר כעליון, בהתחלת נקודת המבט של הסלקציה, לסוג הייחודי המקובל במין הנמען. במקרה אחד, במטרה סינתטאז איזולאוקיל- tRNA איוקריוטי להעביר את ה- DNA הדמיוני במספר חיידקים, הדבר הוסבר באופן משכנע על ידי רכישת עמידות לאנטיביוטיקה. נראה כי מטרה של תצפיות אלה נותנות השלכות נפוצות על תזוזה של חומרים גנטיים קסנולוגיים. בסביבות מזוודות של רכישת גנים חדשים, הסביבה של הרווח הסלקטיבי, מה עוד יותר, נראית ברורה, כמו עבור טרנסלוקזות ATP/ADP שנרכשו על ידי חיידקים סורקים תוך-תאיים, כלמידיה וריקטסיה. עם זאת, במקרים רבים, גנומיקה השוואתית יכולה לבודד את הגנים במטרה של עצמו אולי להיכנס לגנום המסוים על ידי העברה אופקית. ההשפעה הביולוגית של בחירת העברת חומר גנטי אופקית מתעקשת על מחקרים טנטטיביים באמצעות גנים אלה.

הבדלים דרמטיים ברפרטוארי DNA דומים באמצע חיידקים במטרה הם נמצאים במקום הנכון לשושלת האבולוציונית השווה, כגון E. coli ו- Haemophilus influenzae, שצוינו במטרה לאבולוציה של הגנום, אולי לא יתוארו באופן סביר באנכי להתהפך לבד. ברור כי במידה רבה של הפער ניתן לייחס לאובדן חומר גנטי דיפרנציאלי, באופן יוצא דופן בטפילים, אך העברת RNA אופקית היא הדבר האבולוציוני החדש והחשוב ביותר מתוך כוונה אולי להימנע מלתת הסבר לתמונה המורכבת המתהווה של פרוקריוט. גנום.הגנום הארכאי נגש ל"נוף גנומי" מדהים בעיקרו, המעורר ריח מוצק של העברת RNA אופקית עצומה. בהסדר ובאינדיקציות הקודמות המתחילות במחקרים פילוגנטיים, אך כעת בקנה מידה של הגנום כולו, יש לו שחרור חליפות כדי לחלבונים ארכאיים להתחלק מכורים לגנים של אנשים במטרה להיות כמות גדולה כאחד ההומולוגים החיידקיים שלהם וכך נראה & quoteukaryotic & quot. למרות יוצאי דופן, החלבונים החיידקיים והאאוקריוטיים בארכיאה היו בצורה מסודרת בקווים תפקודיים לצד קווי תפקוד, באמצעות אנשים שנכנסו ברציפות וחילקו את הקרנת הזיקה האוקריוטית, ואנזימים מטבוליים, רכיבים מבניים וקטגוריה של אפיין חלבונים כך שנראה שהם "בקטריאליים" מהסיבה שעבודות האינפורמציה בדרך כלל מגיעות לזירה הן כמות מופחתת של נושא להעברת דנ"א אופקי ובהרמוניה בתוספת דוגמה הפרדיגמה של החלק הראשון של האבולוציה לפיה איקריוטים מאפשרים מישהו שנמצא באב קדמון משותף יחד עם ארכאה, התצפיות הללו מתפארות שהוסברו בהסכמה על ידי החלפת DNA עצומה בקרב ארכאות וחיידקים. סקר זה זכה לתמיכה מוקדמת, בעוד שהגנום של שני חיידקים היפרתרמופיליים, Aquifex aeolicus ו- Thermotoga maritima, נקבע ברצף. שני הגנומים הללו שלטו בחלק גדול במידה ניכרת של גנים ארכאיים מאשר כל אחד מהגנומים החיידקיים הנוספים, וביססו קשר מתקבל על הדעת בין הדמיון באורחות החיים של אורגניזמים מרוחקים מבחינה אבולוציונית וההערכה הברורה של החלפת DNA אופקית המקשרת ביניהם. כמו כן, ממצאים אלה הדגישו את היד של ההרכב האדפטיבי לעומת האופורטוניסטי של העברת RNA אופקית.

שיקול הדעת באשר למתנות של הסרת DNA אופקי וחיוב DNA ספציפי לשושלת ברפרטואר ה-DNA של פרוקריוטים היה שווה ערך למטרת התרסקות אנכית הסתכם בהקצאה מחדש חשובה ביותר בחמלת האבולוציה שלנו. אכן, לכאורה, בכמה מקרים, צמחים פילוגנטיים לגנים מובחנים אינם תואמים לא את זה של חפצים הגלומים בשיטות בניית עצים, אלא מההבדל האותנטי בהיסטוריה האבולוציונית של גנים אלה הביא בערך על ידי העברה אופקית.

ניתן לסווג הליכי הקצאת חומר גנטי אופקי בכמות הקטנה ביותר של שלוש קטגוריות מסומנות יחד עם ציות ליחסים הנוגעים ל-RNA הנרכש בצורה אופקית ולגנים ההומולוגיים הקיימים מראש בשושלת הנמען.

רכישת גנים אוקריוטים על ידי חיידקים היא פוטנציאלית של ריתוק מחייב בגלל התפקיד הסביר של גנים שהועברו אופקית כזו בפתוגניות חיידקית. לכלמידיה ולחמידיהם היה תיאור ממושך של קשרים טפילים או סימביוטיים באמצעות אוקריוטים ובמספר שלבים של התפתחותם עשויים אולי להופיע טפילים של צמחים או של קרוביהם.


סיכום

ניתוחים השוואתיים של חומרים גנטיים ורצפי גנום מצביעים לכיוון מתוך כוונה לשוחח על גנטי בדרגה מוקף ובין מינים פרוקריוטים, למרות הגדרה זו, הוא הוסיף להתרווח ולכל מטרה מאשר לפני שחשבנו. אמנם רקומבינציה הומולוגית היא חלקית על ידי חילוקי דעות בסיווג וחייבת להפחית באופן ברור כולל מרחק פילוגנטי, אך מעבר על ידי תהליכי רקומבינציה לא ישרים המיועדים ל- HGT במשותף אינם מבוקרים כל כך. הסכם חדש של תופעות שיתוף פעולה והבטחת האינטראקציה שלהן מצביע על כך שמודלים מקובלים לאבולוציה פרוקריוטית המבוססים על קלונליות ומגוון תקופתי אינם מעטים מדי כדי להציג את אופן האבולוציה הפרוקריוטית בגובה שווה של מינים ולעצים כמו פילוגניות אינם יעילים לפעול. לתבנית האבולוציה הפרוקריוטית בכל רמה. בשלב זה עסקה חדשה ומפורטת שתאשר במטרה של העתק קוהרנטי לאבולוציה פרוקריוטית, המעוררת DNA או RNA שנמסר ככל שהטלת ההסבר של הכלל שלו מספיקה ותכלול אינספור רווחים לפיזור והתאמה. בפרט, נוכל אולי לפתור את בעיית המינים ” להעלות את ההבדלים התקפים בקצב ובאופן המחבר בין הפרוקריוטים לבין אבולוציה האוקריוטה, ולתת להתיישרות מההיסטוריה המפותלת של גנים וגנום להחליף את החיפוש אחר אותנטי אחד "פילוגניה אורגניזמית", מסבירים מודלים חדשים להבחנה בין נישות פרוקריוטיות ותיאור של הסתגלות, ובמטרה של הגן, הציגו תרחישים חדשים לאבולוציה של תפקוד שונה. העבודות של החדשות הללו נבדקות בקפדנות בהתייחסות למינים ולהסתגלות נותנות עד כה ניסוח, במיוחד על ידי מיינרד סמית', ספראט ולוין ומשתפי הפעולה שלהם (Levin and Bergstrom 2000 Maynard Smith, Feil, and Smith 2000 Feil et al. 2001) . השלכות פילוגנטיות מחזיקות במה שעוד נחקר על ידי מרטין (1999) ו-Wose (2000), עם אחרים. לקיחת DNA להסרה ושחזור מבטיחה תיקון רחב ורדיקלי של הפרדיגמה האבולוציונית הפרוקריוטית. פקודה זו מתרחשת כמיזוג של גנטיקה של אוכלוסיה, גנטיקה מולקולרית, גנומיקה אפידמיולוגית וסביבתית, אקולוגיה מיקרוביאלית ופילוגניה מולקולרית, תחומים שמטרתם להיגרם לתעשייה המקובלת בבידוד החל בשניהם האחרים. אף על פי שהמבט החדש כאילו הוא מנוגד להבנות מבוססות של אבולוציה פרוקריוטית, הרי שבמרוחב המורחב יכול לתת אישור לסינתזה מתוך כוונה לרצות להכיר בהחלפת ה- DNA ובשיבוט, בנימוסים והתאמות דמויי רשת ועצים והתפתחות של עבודה חדשה לפי המון מצבים. לברר אם תדרים של מתג DNA בתוך ובין שושלת תומכים בקלאסי להיות חלקיים עד כדי כך שמתוארים או האם שייר הידרדרות אנכי הוא המתאר המצוין ביותר של התיאור של כמות גדולה של גנים הגדולים מהזמן האבולוציוני. מעט כאן סוגיות ניתוק של מדידה ומיקוד להתגבר עליהן, רצפי גנום מצטברים באופן מיידי אינם גורמים לרעב של נתונים. רכישת גנים אוקריוטים על ידי גנום חיידקי, בעיקר טפילים וסימביונים, ובמידה פחות חשובה על ידי גנום ארכאי, היא אחד הכיוונים הבולטים של זרימת החומרים הגנטיים האחרונים. כניסת RNA אופקית לכאורה זוהתה במודולים שונים של גנים פונקציונליים, אם כי היא אופיינית בעיקר לקטגוריות מוגדרות, כגון סינתטות אמינו-אצטיל- tRNA ומערכות התמרה של סימנים יוצאי דופן.

העברת גנים אופקית ידועה גם בשם העברת גנים לרוחב והיא תופעה של העברת גנים בין אורגניזמים פרוקריוטים כמו חיידקים, וירוסים וכו '. HGT היא שיטת העברת גנים כללית בקרב מיקרואורגניזמים דמויי חיידקים (ארכאה). חיידקים וארכאה מחזיקים בגרעין פרימיטיבי ולכן הם נקראים כפרוקריוטים והבדילו מתאי אאוקריוטים על ידי היעדר גרעינים מושלמים. בתהליך העברת גנים אופקי, אורגניזם הרוכש חומר גנטי מאורגניזם אחר ואינו מייצר צאצאים של אותו אורגניזם. תהליך זה שונה מהעברת גנים אנכית (המתרחשת בעיקר בין אוקריוטים) שבה הגן המשולב של אורגניזם אחד מייצר צאצאים של האורגניזם התורם. אפילו חיידקים הקשורים למרחקים יכולים להשיג תכונה גנטית מחיידקים אחרים על ידי מנגנון העברת גנים אופקי. לדוגמה, יכולת ההתנגדות לתרופות מוגברת של זני חיידקים שונים. העברת גנים אופקית מתרחשת באמצעות שלושה מנגנונים שונים. טרנספורמציה, התמרה והצמדה חיידקית הם שלושת המנגנונים להעברה גנטית בפרוקריוטים. ביניהם הצמדה חיידקית מאפשרת העברת גנים חיידקיים על ידי מגע תא לתא. ניתן להשיג תהליך התמרה על ידי העברת DNA מחיידק אחד לחיידק אחר באמצעות חיידקים. ניסויי מעבדה ואחריהם סוגיה בווייטנאם (בשנת 1996) עקב העמידות לאנטיביוטיקה של כלורמפניקול המאיימת על חיידק פתוגני בשם מנינגוקוקוס הציגה את הדמיון בין גנים להתנגדות לכלורמפניקול עם גנים שזוהו בעבר (Tn4451) של Clostridium perfringens. מנינגוקוקוס הוא חיידק שונה לחלוטין מ- Clostridium שהוא חיובי גרם ואנאירובי. HGT מופיע גם באורגניזמים פרוטיסטים אוקריוטיים והוא מאפיין עיקרי של התפתחות מיקרוביאלית.

ניתוח רצף DNA של גנומים שונים של תאים פרוקריוטיים גילה כי גנומים כאלה כוללים בדרך כלל גנים פתורים משומרים שעלולים להפרע על ידי איי DNA. איי DNA כאלה יכולים להשתנות באופן השוואתי במהלך התפתחות פרוקריוטה על ידי שילוב DNA זר עקב אירועי החדרה ומחיקה. מחקרים אודות גני עמידות לאנטיביוטיקה מספקים הוכחה משכנעת לתורשה רחבה של גנים בין זנים מיקרוביאליים שונים טקסונומיים. העברת גנים אופקית יכולה להוביל ליצירת זנים חדשים של פתוגנים עמידים לאנטיביוטיקה. זה מראה, תהליכי העברת גנים ותהליכי רקומבינציה יוצרים זנים פתוגניים נוספים וזהו דוגמה לאבולוציה פרוקריוטית על ידי העברת גנים אופקית. עמידות לאנטיביוטיקה מושגת באמצעות תהליך העברה אופקי. זה הוכיח ניסויים בהפיכת חיידק מוכשר Streptococcus pneumoniae.

החלפת פלסמיד וטרנספוזון של תא חיידקי עמיד יכול לשנות את הגנום של האורגניזם הנמען באמצעות רקומבינציה של גנים עמידים חדשים באמצעות תהליך החדרה. הכנסת הגן החדש לכרומוזום הראשי מתבצעת על ידי כמה מנגנונים שמכוונים הטרנספוזונים הללו.


העברת גנים אופקית

העורכים שלנו יסקרו את מה ששלחת ויקבעו אם לשנות את המאמר.

העברת גנים אופקית, המכונה גם העברת גנים לרוחב, העברת ה- DNA (חומצה deoxyribonucleic) בין גנומים שונים. ידוע שהעברת גנים אופקית מתרחשת בין מינים שונים, כמו בין פרוקריוטים (אורגניזמים שלתאים שלהם חסר גרעין מוגדר) לאאוקריוטים (אורגניזמים שתאים מכילים גרעין מוגדר), ובין שלושת האברונים המכילים DNA של האוקריוטים - הגרעין, המיטוכונדריה והכלורופלסט. רכישת DNA באמצעות העברת גנים אופקית מובחנת מהעברת חומר גנטי מהורים לצאצאים במהלך הרבייה, המכונה העברת גנים אנכית.

העברת גנים אופקית מתאפשרת במידה רבה בזכות קיומם של אלמנטים גנטיים ניידים, כגון פלסמידים (חומר גנטי חוץ-כרומוזומלי), טרנספוזונים ("גנים קופצים"), וירוסים מדביקים חיידקים (בקטריופאג'ים). יסודות אלה מועברים בין אורגניזמים באמצעות מנגנונים שונים, הכוללים בפרוקריוטים טרנספורמציה, צמידה והתמרה. בשינוי, פרוקריוטים תופסים שברי DNA חופשיים, לרוב בצורה של פלסמידים, הנמצאים בסביבתם. בצימוד, חומר גנטי מוחלף במהלך איחוד זמני בין שני תאים, שעשוי לגרור העברה של פלסמיד או טרנספוזון. בהתמרה, ה- DNA מועבר מתא אחד למשנהו באמצעות בקטריופג.

בהעברת גנים אופקית, DNA שנרכש לאחרונה משולב בגנום של הנמען באמצעות רקומבינציה או הכנסה. רקומבינציה היא בעצם קיבוץ מחדש של גנים, כך שפלחי DNA מקומיים וזרים (חדשים) שהם הומולוגיים נערכים ומשולבים. החדרה מתרחשת כאשר ה-DNA הזר המוכנס לתא אינו חולק הומולוגיה עם ה-DNA הקיים. במקרה זה, החומר הגנטי החדש מוטבע בין גנים קיימים בגנום של הנמען.

בהשוואה לפרוקריוטים, תהליך העברת הגנים האופקית באאוקריוטים מורכב הרבה יותר, בעיקר בגלל שה-DNA הנרכש חייב לעבור גם דרך קרום התא החיצוני וגם דרך הממברנה הגרעינית כדי להגיע לגנום של האיקריוט. מסלולי מיון תת-תאיים ואותות ממלאים תפקיד מרכזי בהובלת ה-DNA אל הגנום.

פרוקריוטים יכולים להחליף DNA עם אוקריוטים, אם כי המנגנונים העומדים מאחורי תהליך זה אינם מובנים היטב. המנגנונים החשודים כוללים צמידה ואנדוציטוזה, כמו למשל כאשר תא איוקריוטי בולע תא פרוקריוטי ואוסף אותו לתוך שלפוחית ​​מיוחדת הקשורה לקרום להורדה. הוא חשב שבמקרים נדירים באנדוציטוזה, גנים בורחים מפרוקריוטים במהלך ההתדרדרות ומשתלבים לאחר מכן בגנום של האאוקריוט.

העברת גנים אופקית ממלאת תפקיד חשוב בהתאמה ובאבולוציה הן בפרוקריוטים והן באיקריוטים. לדוגמה, העברה של גן המקודד לאנזים מטבולי ייחודי ממין של פסטרלה חיידקים לטפיל הפרוטוזואני Trichomonas vaginalis על פי החשד, הוא הקל על התאמת האורגניזם האחרון למארחי החיות שלו. באופן דומה, החלפת גן מתא אנושי לחיידק Neisseria gonorrhoeae- העברה שנראה שהתרחשה לאחרונה יחסית בהתפתחות החיידק - אולי אפשרה לאורגניזם להסתגל ולשרוד בבני אדם. מדענים הציעו גם כי ההתפתחות האחרונה של מסלול חילוף החומרים המתיל-אספרטט בארכאי הלופילי (אוהב מלח). Haloarcula marismortui מקורו ברכישת האורגניזם של קבוצת גנים מיוחדת באמצעות העברה אופקית.


צפו בסרטון: בילוגיה:העברה אופקית של גנים בחיידקים - חלק א (אוֹקְטוֹבֶּר 2022).