ХОРИЗОНТАЛЕН ТРАНСФЕР НА ГЕНИ: МЕХАНИЗМИ И ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В хоризонтален генен трансфер или странично генен трансфер е обменът на генетичен материал между организми, което не се среща в семейства. Това събитие се провежда между индивиди от едно и също поколение и може да се случи при едноклетъчни или многоклетъчни същества.

Хоризонталният трансфер се осъществява чрез три основни механизма: конюгация, трансформация и трансдукция. При първия тип е възможен обменът на дълги ДНК фрагменти, докато в последните два прехвърлянето е ограничено до малки сегменти от генетичния материал.

Бактерия. THG е често срещан при тези организми. Източник pixabay.com

Обратното понятие е вертикален пренос на ген, при който генетичната информация преминава от организъм в неговото потомство. Този процес е широко разпространен при еукариотите, като растенията и животните. За разлика от тях хоризонталният трансфер е често срещан при микроорганизмите.

При еукариотите хоризонталният трансфер не е толкова често. Съществуват обаче данни за обмен на това явление, включително прародител на хората, които са получили определени гени чрез вируси.

Какво е хоризонтален трансфер на ген?

По време на размножаването еукариотните организми предават гените си от едно поколение на своите потомци (деца) в процес, известен като вертикален трансфер на гени. Прокариотите също изпълняват тази стъпка, но чрез асексуално възпроизвеждане чрез делене или други механизми.

Въпреки това, при прокариотите има друг начин за обмен на генетичен материал, наречен хоризонтален трансфер на гени. Тук ДНК фрагментите се обменят между организми от едно и също поколение и могат да преминават от един вид в друг.

Хоризонталният трансфер е сравнително често срещан сред бактериите. Вземете примера за гени, които причиняват резистентност към антибиотици. Тези важни фрагменти от ДНК се пренасят нормално между бактерии от различни видове.

Тези механизми включват значителни медицински усложнения при лечение на инфекции.

механизми

Има три основни механизма, чрез които ДНК може да бъде обменен чрез хоризонтален трансфер. Това са конюгиране, трансформация и преобразуване.

спрежение

Пренасянето на гени чрез конюгиране е единственият вид, който включва директен контакт между двете бактерии.

Това обаче не бива да се сравнява с обмена на гени чрез сексуална репродукция (където обикновено има контакт между участващите организми), тъй като процесът е много различен. Сред основните разлики е липсата на мейоза.

По време на конюгацията преминаването на генетичен материал от една бактерия в друга се осъществява чрез физически контакт, установен от структура, наречена пили. Това работи като свързващ мост, където се извършва размяната.

Въпреки че бактериите не се диференцират в пола, организмът, който носи малка кръгла ДНК, известна като фактор F (плодовитост f), е известен като "мъжки". Тези клетки са донорите по време на конюгиране, прехвърляйки материала в друга клетка, която няма фактор.

ДНК на фактор F се състои от около 40 гена, които контролират репликацията на сексуалния фактор и синтеза на сексуалните пили.

Първите доказателства за процеса на конюгиране идват от експериментите на Ледерберг и Тейтъм, но именно Бернар Дейвис най-накрая показа, че контактът е необходим за трансфер.

Трансформация

Трансформацията включва приемането на гола молекула ДНК, намираща се в околната среда, близка до бактерията гостоприемник. Това парче ДНК идва от друга бактерия.

Процесът може да се извърши по естествен път, тъй като популациите на бактерии обикновено претърпяват трансформация. По подобен начин трансформацията може да се симулира в лабораторията, за да принуди бактериите да поемат ДНК от интерес, която се намира навън.

Теоретично може да се вземе всяко парче ДНК. Наблюдава се обаче, че процесът включва малки молекули.

Трансдукция

И накрая, механизмът на трансдукция се осъществява чрез фаг (вирус), който пренася ДНК от бактерия донор до реципиент. Както в предишния случай, количеството на прехвърлената ДНК е сравнително малко, тъй като способността на вируса да носи ДНК е ограничена.

Обикновено този механизъм е ограничен до бактерии, които са филогенетично близки, тъй като вирусът, който носи ДНК, трябва да се свърже със специфични рецептори за бактериите, за да инжектира материала.

Примери

Ендонуклеазите са ензими, които имат способността да разрушават фосфодиестерните връзки в полинуклеотидната верига, отвътре - затова са известни като "ендо". Тези ензими не се режат никъде, те имат конкретни сайтове за това, наречени рестрикционни сайтове.

Последователностите на аминокиселините за ензимите EcoRI (в Е. coli) и RSRI (в Rhodobacter sphaeroides) имат последователност от близо 300 аминокиселинни остатъци, които са 50% идентични един с друг, което ясно показва близко еволюционно родство.

Благодарение на изучаването на други молекулярни и биохимични характеристики, тези две бактерии са много различни и са много малко свързани от филогенетичната гледна точка.

Освен това генът, който кодира ензима EcoRI, използва много специфични кодони, които са различни от тези, които обикновено се използват от E. coli, така че се подозира, че генът не е произлязъл от тази бактерия.

Хоризонтален трансфер на гени в еволюцията

През 1859 г. британският натуралист Чарлз Дарвин революционизира биологичните науки със своята теория за еволюцията чрез естествен подбор. В своята емблематична книга „Произходът на видовете“ Дарвин предлага метафората на дървото на живота, за да илюстрира генеалогичните връзки между видовете.

Днес филогениите са формално представяне на тази метафора, където се приема, че предаването на генетична информация става вертикално - от родители до деца.

Ние можем да приложим тази визия без големи неудобства върху многоклетъчните организми и ще получим разклонен модел, както предлага Дарвин.

Въпреки това, това представяне на клони без сливане е трудно да се приложи към микроорганизмите. Когато сравняваме геномите на различни прокариоти, става ясно, че има голям обмен на гени между родовете.

По този начин моделът на взаимоотношенията е по-скоро като мрежа, с клонове, свързани и слети заедно, благодарение на разпространението на хоризонталния трансфер на гени.

Препратки

1. Gogarten, JP, & Townsend, JP (2005). Хоризонтален трансфер на гени, иновации на генома и еволюция. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, & Palmer, JD (2008). Хоризонтален трансфер на ген при еукариотна еволюция. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Пиърс, BA (2009). Генетика: концептуален подход. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P., & McMillan, B. (2013). Биология: Динамичната наука. Нелсън образование.
5. Sumbali, G., & Mehrotra, RS (2009). Принципи на микробиологията. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Хоризонтален трансфер на ген. Академична преса.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Въведение в микробиологията. Panamerican Medical Ed.