Poziomy transfer genów

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Drzewo filogenetyczne z zaznaczonymi przypadkami poziomego transferu genów

Poziomy transfer genów, horyzontalny transfer genów (HTG), lateralny transfer genów (LTG) - zjawisko przechodzenia genów między organizmami różnych gatunków, najczęściej pozostającymi ze sobą w ścisłej relacji ekologicznej. Zjawisko jest odpowiedzialne za istnienie 10-20% genów w komórkach prokariotycznych i takie krytyczne dla ewolucji cechy jak oporność na antybiotyki, wirulencja, zdolność przeprowadzania fotosyntezy oraz asymilacji azotu atmosferycznego. W komórkach eukariotycznych proces zachodzi rzadziej, jednak prawdopodobnie był powszechny w początkowym etapie ewolucji eukariontów. Geny, będące wynikiem HGT, w tej domenie stanowią poniżej 1%[1]. Poziomy transfer genów może prowadzić do powstania nowych gatunków. W roku 2014 udowodniono, że w wyniku szczepienia możliwe jest zajście allopoliploidyzacji, połączenia genomów dwóch gatunków bez procesu płciowego[2].

W 1984 roku koncepcje HTG nazwaną wtedy jako międzygatunkowy przepływ genów wprowadził Michael Syvanen i ją sukcesywnie rozwijał[3][4].

Typowe dziedziczenie genów od przodka do potomka nazywane jest w terminologii genetycznej pionowym transferem genów (VTG, z ang.: vertical gene transfer).

HTG można podzielić na:

  • naturalny, gdzie HTG występuje przypadkowo i bardzo rzadko. Prawdopodobieństwo zaistnienia HTG jest znikomo małe, mimo to, biorąc pod uwagę liczebność organizmów i upływ czasu, HTG wpłynął istotnie na ewolucję do tego stopnia, że HTG jest proponowany jako kolejny paradygmat biologii[5];
  • sztuczny, gdzie HTG jest stosowany w inżynierii genetycznej. Przypadek jest zastąpiony celowym, rozmyślnym działaniem.

Naturalny poziomy transfer genów[edytuj | edytuj kod]

Szczególnie dużo genów obcego pochodzenia zostało wykrytych w mt DNA Amborella trichopoda

Poziomy transfer genów w znacznym stopniu wpłynął na współczesną zawartość genomów eukariontów. Szczególną rolę wydaje się odgrywać w adaptacji do pasożytnictwa, patogenezy i szczególnych warunków środowiska, takich jak niedobór związków azotu. Większość znanych przypadków dotyczy przeniesienia genów pochodzących od bakterii. Nie są to jednak wszystkie przypadki[6]. U roślin HGT jest istotnym procesem decydującym o ewolucji genomów. Znane są przypadki transferu genów od prokarionów oraz eukariontów ze wszystkich królestw. Dowody wskazują na szczególne rozpowszechnienie HGT między organizmami,które okazjonalnie lub ściśle są ze sobą powiązane. Najczęściej są to relacje mutualistyczne lub pasożytnicze[7]. Liczne badania potwierdzają potwierdzają wyjątkowo duża aktywność mtDNA roślin w poziomym transferze genów. Mitochondria roślin mają aktywny system pobierania DNA. Nie stwierdzono przypadków HGT dla plastydów i mitochondriów zwierzęcych. Udowodniono także zachodzenie HGT w przypadku genomu jądrowego roślin, łącznie z możliwością fuzji protoplastów. Rośliny pasożytnicze mogą być zarówno biorcą, jak i dawcą genów. Szczególnie dużo nabytych genów stwierdzono u Amborella trichopoda[1].

Bakterie - bakterie[edytuj | edytuj kod]

Dobrze i wcześnie poznano HTG u prokariotów. W tej gałęzi życia naturalny HTG zachodzi dzięki koniugacji, transdukcji i transformacji. Niektóre bakterie wytwarzają pile, ułatwiające koniugacyjne przekazywanie DNA, i tu może zachodzić zarówno poziomy jak i pionowy transfer genów - gdy przez pile przechodzi DNA między bakteriami tego samego gatunku, określa się to jako transfer pionowy , gdy między różnymi gatunkami, to wtedy określany jest jako transfer poziomy. Podobne bywa w przypadku transdukcji i transformacji.

Z bakterii do drożdży[edytuj | edytuj kod]

DHODaza, występuje w mitochondriach u wielu drożdży a u Saccharomyces cerevisiae w cytoplazmie. Ten cytoplazmatyczny enzym nabyty od Lactobacillales pozwala na wzrost w warunkach beztlenowych[potrzebne źródło].

U Saccharomyces kluyveri DHODaza jest kodowana zarówno przez gen pochodzący z bakterii, jak i gen drożdżowy i występuje w dwóch formach. Jest przykładem na przejściową fazę HTG datowaną na 100 mln lat temu[8]. Jest to przykład podwójnego HTG - pierwszy 'stary' mitochondrialny przekazywany VTG i stosunkowo nowy HTG poprawiający niefunkcjonalne beztlenowo geny mitochondrialne.

Gen BDS1 GenPept Q08347[9] kodujący 646 aminokwasowy enzym alkyl/aryl sulfatazę został włączony do genomu drożdży z α-proteobakterii, jego 1941-bp sekwencja jest zlokalizowana w przy-telomerowym regionie piętnastego chromosomu. Dzikie S. cerevisiae posiadające ten gen są zdolne wykorzystać nawet SDS jako źródło siarki. Inny HTG "pojmany" gen to URA1 [2] jest także pochodzenia bakteryjnego[10].

Z bakterii do owadów[edytuj | edytuj kod]

Zespół naukowców z University of Rochester oraz instytutu badawczego J. Craig Venter Institute w Rockville (kierownik prac - prof. Jack Warren) odkrył cały genom pasożytniczej bakterii Wolbachia w drugim chromosomie DNA muszki owocowej (Drosophila melanogaster). Geny pochodzące od bakterii podlegały takiemu samemu dziedziczeniu jak czysto owadzie geny - stwierdził dr Michael Clark. Prawdopodobnie do wchłonięcia genomu bakterii doszło podczas procesu naprawiania DNA przez komórki owadów. Unikalność tego przypadku polega na wchłonięciu całego obcego genomu[11].

Z grzybów do zwierząt[edytuj | edytuj kod]

Geny kodujące syntezę karotenoidów u mszyc najprawdopodobniej pochodzą od grzybów, być może infekujących mszyce[12].

Transfer genów zachodzi wśród prokariotów w o wiele większym stopniu niż u eukariotów, zachodzi też o wiele częściej pomiędzy gatunkami bardziej spokrewnionymi. Można to wyjaśnić tym, że ekspresja tego samego genu będzie z większym prawdopodobieństwem podobna w bliżej spokrewnionych[potrzebne źródło]. Ważnym wyjątkiem od tego, jest transfer genów z endosymbiontów (mitochondria, chloroplasty) do jądra komórkowego.

Najłatwiej transferowane są geny odpowiedzialne za pojedyncze reakcje, o wiele rzadziej dochodzi do transferu dużych kompleksów genów. Jest to jeden z powodów tego, że geny operacyjne, czyli odpowiedzialne za różne procesy biochemiczne zachodzące w komórce są transferowane o wiele częściej niż geny informacyjne, czyli odpowiedzialne za zarządzanie informacją w komórce (transkrypcja, translacja itp). Te pierwsze to zwykle jeden do kilku enzymów, te drugie zaś działają jako duża grupa bardzo blisko powiązanych enzymów i nie można wymienić czy dodać jednego czy nawet tylko kilku z nich.

Mechanizmy[edytuj | edytuj kod]

Najprostszym mechanizmem jest wychwyt DNA martwego organizmu – transformacja DNA. Takie zjawisko zachodzi bardzo łatwo wśród prokariotów. Uważa się, że udokumentowane przypadki transferu między endosymbiontami a eukariotami mają podobny charakter.

Innym możliwym mechanizmem jest wymiana plazmidów między bakteriami, które może być połączane z wbudowaniem nowego DNA do chromosomu bakteryjnego przy udziale integronu. Jeszcze innym są wirusy, które razem ze swoim materiałem genetycznym transferują też czasem fragmenty genów poprzednio zarażonego organizmu. Możliwe są też zaburzenia fagocytozy kończące się przedostaniem zawartości "pokarmu" do cytoplazmy.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 AO. Richardson, JD. Palmer. Horizontal gene transfer in plants.. „J Exp Bot”. 58 (1), s. 1-9, 2007. doi:10.1093/jxb/erl148. PMID 17030541. 
  2. Ignacia Fuentes, Sandra Stegemann, Hieronim Golczyk, Daniel Karcher & Ralph Bock. Horizontal genome transfer as an asexual path to the formation of new species. „Nature”. 511 (7508), s. 232–235, July 2014. doi:10.1038/nature13291. PMID 24909992 (ang.). 
  3. M. Syvanen. Cross-species gene transfer; implications for a new theory of evolution.. „J Theor Biol”. 112 (2), s. 333-43, I 1985. PMID 2984477. 
  4. Michael Syvanen; http://www.dcn.davis.ca.us/vme/hgt/TrendsInGeneticspp1-4yr1986.PDF
  5. Horizontal Gene Transfer: A New Paradigm for Biology
  6. PJ. Keeling. Functional and ecological impacts of horizontal gene transfer in eukaryotes.. „Curr Opin Genet Dev”. 19 (6), s. 613-9, Dec 2009. doi:10.1016/j.gde.2009.10.001. PMID 19897356. 
  7. R. Bock. The give-and-take of DNA: horizontal gene transfer in plants.. „Trends Plant Sci”. 15 (1), s. 11-22, Jan 2010. doi:10.1016/j.tplants.2009.10.001. PMID 19910236. 
  8. Horizontal gene transfer promoted evolution of the ability to propagate under anaerobic conditions in yeasts. Mol Genet Genomics. 2004 May;271(4):387-93. Epub 2004 Mar 11.
  9. GenBank [1]
  10. Gojkovic, Z.W. Knecht, E. Zameitat, J. Warneboldt, J.B. Coutelis, Y. Pynyaha, C. Neuveglise, K. Moller, M. Loffler, and J. Piskur. 2004. Horizontal gene transfer promoted evolution of the ability to propagate under anaerobic conditions in yeasts. Mol. Genet. Genomics 271:387-393
  11. Dziennik Polska-Europa-Świat, 31.08.2007 r., str. 27
  12. Nancy A. Moran i Tyler Jarvik. Lateral Transfer of Genes from Fungi Underlies Carotenoid Production in Aphids. „Science”. 328 (5978), s. 624 - 627, IV 2010. doi:10.1126/science.1187113. 

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]