Transformace (genetika)

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 24. dubna 2021; ověření vyžaduje 1 úpravu .

Transformace ( angl.  transformace ) je proces absorpce molekuly DNA bakteriální buňkou z vnějšího prostředí. Aby byla buňka schopná transformace, musí být kompetentní , to znamená, že molekuly DNA do ní musí být schopny proniknout přes buněčné membrány. Transformace se aktivně využívá v molekulární biologii a genetickém inženýrství .

Je třeba poznamenat, že termín "transformace" se týká pouze bakteriálních buněk. Vstup cizí DNA do eukaryotických buněk se nazývá transfekce [1] .

Historie studia

Fenomén transformace byl poprvé pozorován v roce 1928 Frederickem Griffithem , který pracoval s pneumokoky ( Streptococcus pneumoniae ). Zjistil, že avirulentní kmeny bez pouzdra mohou něco získat i z mrtvých virulentních buněk, které pouzdro mají, a v důsledku toho se stanou virulentními. Po 16 letech Avery, McLeod a McCarthy ukázali, že stejným agens byla DNA obsahující geny nezbytné pro vytvoření pouzdra [2] . Izolovali DNA z virulentního kmene S. pneumoniae a ukázali, že zavedení této DNA samotné do buněk avirulentního kmene z nich udělá patogeny. Výsledky Averyho a kolegů se zpočátku setkaly se skepsí a nakonec byly uznány za spolehlivé po popisu fenoménu genetického přenosu Joshuou Lederbergem – konjugace (v roce 1947) a transdukce (v roce 1953) [3] .

V roce 1970 bylo experimentálně prokázáno, že buňky Escherichia coli mohou přijímat bakteriofágovou λ DNA bez pomocného fága poté, co byly ošetřeny roztokem chloridu vápenatého [ 4] . O dva roky později byla prokázána možnost zachycení plazmidové DNA buňkami za podobných podmínek [5] . Tak byla vynalezena chemická transformace. Koncem 80. let se k transformaci bakteriálních buněk začala používat elektroporace , která se v mnoha případech ukázala jako účinnější než chemická transformace a byla použitelná pro větší počet kmenů [6] .

Mechanismus

Mnoho bakterií je schopno transformace, například Streptococcus , Haemophilus , Bacillus , aktinomycety , sinice a další bakterie. Antigenní variace pozorovaná u původce kapavky , Neisseria gonorrhoeae , je tedy zajištěna transformací, při které si buňky mezi sebou přenášejí geny různých variant pili , díky čemuž se přichytí na buňky hostitelského organismu [7] . V normálním stavu brání průniku velkých molekul DNA do bakteriálních buněk husté obaly, proto, aby byla buňka schopná transformace, musí vstoupit do tzv. stavu kompetence. V přirozených podmínkách získává kompetence část kultury v logaritmické fázi růstu pod vlivem určitých proteinů (faktorů kompetence) působících prostřednictvím dvousložkového systému . Chloramfenikol , který blokuje syntézu proteinů , zabraňuje tvorbě kompetentních buněk [8] . Je také možné, že hustota bakteriální kultury hraje roli ve vývoji kompetence, protože to zvyšuje koncentraci kompetenčních faktorů. U Streptococcus mutans a dalších druhů rodu Streptococcus často dochází k transformaci během tvorby biofilmu [9] . U Bacillus subtilis se na sporulaci podílí také několik genů zapojených do rozvoje kompetence . Rozvoj kompetence ve fázi log je způsoben nedostatkem živin a kumulací značného počtu faktorů kompetence [7] . Transformaci mohou vyprovokovat bakteriofágy, způsobující uvolnění DNA z odumírajících buněk [10] , stejně jako poškození bakteriální DNA [11] . Získání kompetence je extrémně složitý fyziologický proces, u Bacillus subtilis vyžaduje expresi asi 40 genů [12] .

Za prvé, kompetentní buňky vážou DNA se svým povrchem pomocí speciálních receptorů a buňka se mnohem snadněji transformuje lineárními fragmenty než kruhovými. DNA je štěpena nukleázami na fragmenty o hmotnosti až 4-5 milionů Da a pouze jeden ze dvou řetězců fragmentů vstupuje do buňky. Některé bakterie, jako jsou pneumokoky a Bacillus subtilis , mohou přijímat DNA z různých zdrojů, zatímco jiné, jako Haemophilus , mohou přijímat DNA pouze z buněk svého vlastního druhu . Fragmenty o hmotnosti menší než 500 kDa se do buňky nedostanou [8] [2] .

Po vstupu do buňky je jednovláknový fragment integrován do genomové DNA buňky příjemce. Transformace trvá 10 až 30 minut a u různých bakterií se vyskytuje s frekvencí asi 1 % [13] .

Význam

V přirozených podmínkách transformace umožňuje bakteriím získat geny zvenčí, které jim mohou pomoci přizpůsobit se daným podmínkám. Transformace je tedy jedním z mechanismů horizontálního přenosu genů spolu s konjugací (výměna genetického materiálu buňkami při fyzickém kontaktu) a transdukcí, při které je fragment DNA přenesen fágem [14] . Vzhledem k tomu, že kompetence může být způsobena poškozením DNA a často se vyskytuje působením látek, které způsobují poškození DNA (například u Helicobacter pylori antibiotikum ciprofloxacin indukuje transformaci , která stimuluje tvorbu dvouřetězcových zlomů [15] ), transformace může sloužit jako adaptivní mechanismus, který podporuje opravu DNA . Tím, že přijme fragment DNA zvenčí (zejména z bakterie stejného druhu), může jej bakterie použít jako templát pro opravu poškození prostřednictvím homologní rekombinace [16] .

Transformace se stala rutinní technikou molekulární biologie pro generování velkého množství požadovaného plazmidu . K umělému uvedení buněk do stavu kompetence existují dva hlavní přístupy: elektroporace , při které buňky absorbují DNA po krátkodobém aplikovaném napětí , a chemická transformace, při které jsou buňky vystaveny různým divalentním iontovým solím , jako je chlorid vápenatý. [2] [17] .

Poznámky

  1. ↑ Transfekce . Průvodce protokoly a aplikacemi . Promega.
  2. ↑ 1 2 3 Dale & Park, 2004 , str. 167.
  3. ↑ Lederberg J. Transformace genetiky DNA: oslava výročí Averyho, MacLeoda a McCartyho (1944).  (anglicky)  // Genetika. - 1994. - únor ( roč. 136 , č. 2 ). - str. 423-426 . — PMID 8150273 .
  4. ↑ Mandel M. , Higa A. Infekce DNA bakteriofágem závislým na vápníku.  (anglicky)  // Journal Of Molecular Biology. - 1970. - 14. října ( roč. 53 , č. 1 ). - S. 159-162 . — PMID 4922220 .
  5. ↑ Cohen SN , Chang AC , Hsu L. Nechromozomální antibiotická rezistence u bakterií: genetická transformace Escherichia coli DNA R-faktoru.  (anglicky)  // Proceedings Of The National Academy of Sciences Of The United States Of America. - 1972. - Srpen ( roč. 69 , č. 8 ). - S. 2110-2114 . — PMID 4559594 .
  6. ↑ Wirth R. , Friesenegger A. , ​​Fiedler S. Transformace různých druhů gramnegativních bakterií patřících do 11 různých rodů elektroporací.  (anglicky)  // Molekulární a obecná genetika: MGG. - 1989. - březen ( roč. 216 , č. 1 ). - S. 175-177 . — PMID 2659971 .
  7. ↑ 12 Dale & Park, 2004 , s. 166.
  8. ↑ 1 2 Inge-Vechtomov, 2010 , s. 250.
  9. ↑ Aspiras MB , Ellen RP , Cvitkovitch DG ComX aktivita Streptococcus mutans rostoucích v biofilmech.  (anglicky)  // FEMS Microbiology Letters. - 2004. - 1. září ( roč. 238 , č. 1 ). - S. 167-174 . - doi : 10.1016/j.femsle.2004.07.032 . — PMID 15336418 .
  10. ↑ Keen EC , Bliskovsky VV , Malagon F. , Baker JD , Prince JS , Klaus JS , Adhya SL Novel "Superspreader" Bakteriofágy podporují horizontální přenos genů transformací.  (anglicky)  // MBio. - 2017. - 17. ledna ( roč. 8 , č. 1 ). - doi : 10.1128/mBio.02115-16 . — PMID 28096488 .
  11. ↑ Claverys JP , Prudhomme M. , Martin B. Indukce kompetenčních regulonů jako obecná odpověď na stres u grampozitivních bakterií.  (anglicky)  // Annual Review Of Microbiology. - 2006. - Sv. 60 . - str. 451-475 . - doi : 10.1146/annurev.micro.60.080805.142139 . — PMID 16771651 .
  12. ↑ Solomon JM , Grossman AD Kdo je kompetentní a kdy: regulace přirozené genetické kompetence u bakterií.  (anglicky)  // Trendy v genetice: TIG. - 1996. - Duben ( roč. 12 , č. 4 ). - S. 150-155 . — PMID 8901420 .
  13. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 250-251.
  14. ↑ Johnston C. , Martin B. , Fichant G. , Polard P. , Claverys JP Bakteriální transformace: distribuce, sdílené mechanismy a divergentní řízení.  (anglicky)  // Nature Reviews. mikrobiologie. - 2014. - březen ( roč. 12 , č. 3 ). - S. 181-196 . - doi : 10.1038/nrmicro3199 . — PMID 24509783 .
  15. ↑ Dorer MS , Fero J. , Salama NR Poškození DNA spouští genetickou výměnu u Helicobacter pylori.  (anglicky)  // PLoS Pathogens. - 2010. - 29. července ( roč. 6 , č. 7 ). - P. e1001026-1001026 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001026 . — PMID 20686662 .
  16. ↑ Bernstein H., Bernstein C., Michod RE Kapitola 1: Oprava DNA jako primární adaptivní funkce pohlaví u bakterií a eukaryot // Oprava DNA: Nový výzkum  (neopr.) / Kimura S., Shimizu S.. - Nova Sci . Publ., Hauppauge, NY, 2012. s. 1-49. — ISBN 978-1-62100-808-8 . Archivovaná kopie (nedostupný odkaz) . Získáno 16. listopadu 2018. Archivováno z originálu 29. října 2013. 
  17. ↑ Donahue RA, Bloom FR Velkoobjemová transformace s vysokou účinností chemicky kompetentních buněk  //  Focus : journal. - 1998. - Červenec ( roč. 20 , č. 2 ). - str. 54-56 .

Literatura

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie