Transzformáció (genetika)

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. április 24-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

Az átalakulás ( eng.  transzformáció ) egy DNS- molekula baktériumsejt általi felszívódásának folyamata a külső környezetből. Ahhoz, hogy egy sejt transzformációra képes legyen, kompetensnek kell lennie , vagyis a DNS-molekuláknak a sejtmembránokon keresztül be kell tudniuk hatolni. A transzformációt aktívan használják a molekuláris biológiában és a géntechnológiában .

Meg kell jegyezni, hogy a „transzformáció” kifejezés csak a baktériumsejtekre vonatkozik. Az idegen DNS bejutását az eukarióta sejtekbe transzfekciónak nevezzük [1] .

Tanulmánytörténet

Az átalakulás jelenségét először 1928-ban Frederick Griffith figyelte meg , aki pneumococcusokkal ( Streptococcus pneumoniae ) dolgozott. Azt találta, hogy a kapszula nélküli avirulens törzsek még az elhalt virulens sejtekből is kaphatnak valamit, amelyeknek van kapszula, és ennek eredményeként virulenssé válnak. 16 év elteltével Avery, McLeod és McCarthy kimutatta, hogy ugyanez az ágens a kapszula kialakulásához szükséges géneket tartalmazó DNS [2] . DNS-t izoláltak egy virulens S. pneumoniae törzsből, és kimutatták, hogy ennek a DNS-nek önmagában egy avirulens törzs sejtjeibe történő bejuttatása kórokozókká változtatja azokat. Avery és munkatársai eredményeit kezdetben szkepticizmus fogadta, és végül megbízhatónak ismerték el, miután Joshua Lederberg leírta a genetikai transzfer jelenségét - konjugáció (1947-ben) és transzdukció (1953-ban) [3] .

1970-ben kísérletileg kimutatták, hogy az Escherichia coli sejtek képesek a bakteriofág λ DNS -t felvenni helper fág nélkül , miután kalcium-klorid oldattal kezelték őket [4] . Két évvel később kimutatták a plazmid DNS -hez hasonló körülmények között a sejtek általi befogás lehetőségét [5] . Így találták ki a kémiai átalakítást. Az 1980-as évek végén az elektroporációt kezdték alkalmazni a baktériumsejtek transzformálására , amely sok esetben hatékonyabbnak bizonyult, mint a kémiai transzformáció, és több törzsre volt alkalmazható [6] .

Mechanizmus

Sok baktérium képes átalakulni, például Streptococcus , Haemophilus , Bacillus , actinomycetes , cianobaktériumok és más baktériumok. A gonorrhoea kórokozójában , a Neisseria gonorrhoeae -ben megfigyelhető antigénvariációt tehát transzformáció biztosítja, melynek során a sejtek különböző pili variánsok génjeit adják át egymásnak , aminek köszönhetően a gazdaszervezet sejtjeihez kapcsolódnak [7] . Normál állapotban a nagy DNS-molekulák baktériumsejtekbe való behatolását sűrű burkolatok akadályozzák, ezért ahhoz, hogy transzformációra képes legyen, a sejtnek úgynevezett kompetencia állapotba kell lépnie. Természetes körülmények között a kompetencia a növekedés logaritmikus fázisában , bizonyos fehérjék (kompetenciatényezők) hatására, kétkomponensű rendszeren keresztül meg a kultúra egy részét . A klóramfenikol , amely blokkolja a fehérjeszintézist , megakadályozza a kompetens sejtek képződését [8] . Elképzelhető az is, hogy a kompetencia kialakulásában a baktériumtenyészet sűrűsége is szerepet játszik, hiszen ez növeli a kompetenciafaktorok koncentrációját. A Streptococcus mutansban és a Streptococcus nemzetség más fajaiban az átalakulás gyakran a biofilm képződése során megy végbe [9] . A Bacillus subtilisben több, a kompetencia fejlesztésében szerepet játszó gén is részt vesz a sporulációban . A log fázisban a kompetencia fejlődése a tápanyaghiánynak és a jelentős számú kompetencia faktor felhalmozódásának köszönhető [7] . A transzformációt bakteriofágok provokálhatják, ami DNS felszabadulását idézheti elő a haldokló sejtekből [10] , valamint károsíthatja a bakteriális DNS-t [11] . A kompetencia megszerzése rendkívül összetett élettani folyamat, a Bacillus subtilisben körülbelül 40 gén expresszióját igényli [12] .

Először is, az kompetens sejtek speciális receptorok segítségével kötik meg a DNS-t a felületükkel , és a sejt sokkal könnyebben transzformálódik lineáris fragmentumokkal, mint cirkulárisokkal. A DNS-t a nukleázok legfeljebb 4-5 millió Da tömegű fragmensekre hasítják , és a két fragmentumlánc közül csak az egyik kerül be a sejtbe. Egyes baktériumok, például a pneumococcusok és a Bacillus subtilis különféle forrásokból képesek DNS-t felvenni, míg mások, mint például a Haemophilus , csak saját fajuk sejtjéből tudnak DNS-t felvenni . Az 500 kDa-nál kisebb tömegű töredékek nem jutnak be a cellába [8] [2] .

A sejtbe jutás után az egyszálú fragmentum beépül a befogadó sejt genomiális DNS-ébe. Az átalakulás 10-30 percig tart, és különböző baktériumokban körülbelül 1%-os gyakorisággal fordul elő [13] .

Jelentése

Természetes körülmények között a transzformáció lehetővé teszi, hogy a baktériumok kívülről olyan géneket szerezzenek, amelyek segíthetik őket az adott körülményekhez való alkalmazkodásban. Így a transzformáció a horizontális géntranszfer egyik mechanizmusa , a konjugációval (a sejtek genetikai anyagcseréje a fizikai érintkezés során) és a transzdukcióval együtt, amelynek során egy DNS-fragmenst egy fág visz át [14] . Mivel a kompetenciát a DNS károsodása okozhatja, és gyakran olyan ágensek hatására következik be, amelyek károsítják a DNS-t (például a Helicobacter pyloriban a ciprofloxacin antibiotikum transzformációt indukál , ami stimulálja a kettős száltörések kialakulását [15] ), transzformáció adaptív mechanizmusként szolgálhat, amely elősegíti a DNS-javítást . Ha egy DNS-fragmenst kívülről (különösen egy azonos fajhoz tartozó baktériumtól) kap, a baktérium templátként használhatja a homológ rekombináció révén történő károsodások helyreállításához [16] .

A transzformáció rutin molekuláris biológiai technikává vált a szükséges plazmidok nagy mennyiségének előállítására . A sejtek mesterségesen alkalmas állapotba hozására két fő megközelítés létezik: elektroporáció , amelyben a sejtek rövid ideig tartó feszültség után abszorbeálják a DNS-t , és kémiai transzformáció, amelynek során a sejteket különböző kétértékű ionsóknak , például kalcium-kloridnak teszik ki. [2] [17] .

Jegyzetek

  1. ↑ Transzfekció . Protokollok és alkalmazások útmutatója . Promega.
  2. ↑ 1 2 3 Dale & Park, 2004 , p. 167.
  3. ↑ Lederberg J. A genetika DNS-transzformációja: Avery, MacLeod és McCarty évfordulója (1944).  (angol)  // Genetika. - 1994. - február ( 136. évf. , 2. sz.). - P. 423-426 . — PMID 8150273 .
  4. ↑ Mandel M. , Higa A. Kalciumfüggő bakteriofág DNS fertőzés.  (angol)  // Journal Of Molecular Biology. - 1970. - október 14. ( 53. évf. , 1. sz.). - P. 159-162 . — PMID 4922220 .
  5. ↑ Cohen SN , Chang AC , Hsu L. Nem kromoszómális antibiotikum-rezisztencia baktériumokban: Escherichia coli genetikai transzformációja R-faktor DNS-sel.  (angol)  // Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiájának közleménye. - 1972. - augusztus ( 69. évf. , 8. sz.). - P. 2110-2114 . — PMID 4559594 .
  6. ↑ Wirth R. , Friesenegger A. , ​​Fiedler S. 11 különböző nemzetségbe tartozó Gram-negatív baktériumok különféle fajainak transzformációja elektroporációval.  (angol)  // Molekuláris és általános genetika: MGG. - 1989. - március ( 216. évf. , 1. sz.). - 175-177 . o . — PMID 2659971 .
  7. ↑ 12. Dale & Park, 2004 , p. 166.
  8. ↑ 1 2 Inge-Vechtomov, 2010 , p. 250.
  9. ↑ Aspiras MB , Ellen RP , Cvitkovitch DG ComX biofilmekben növekvő Streptococcus mutans aktivitása.  (angol)  // FEMS Microbiology Letters. - 2004. - szeptember 1. ( 238. évf. , 1. sz.). - 167-174 . o . - 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 A "Superspreader" új bakteriofágok elősegítik a horizontális génátvitelt transzformációval.  (angol)  // MBio. - 2017. - január 17. ( 8. évf . 1. sz .). - doi : 10.1128/mBio.02115-16 . — PMID 28096488 .
  11. ↑ Claverys JP , Prudhomme M. , Martin B. Kompetenciaregulonok indukciója, mint általános válasz a stresszre Gram-pozitív baktériumokban.  (angol)  // Annual Review Of Microbiology. - 2006. - Vol. 60 . - P. 451-475 . - doi : 10.1146/annurev.micro.60.080805.142139 . — PMID 16771651 .
  12. ↑ Solomon JM , Grossman AD Ki kompetens és mikor: a baktériumok természetes genetikai kompetenciájának szabályozása.  (angol)  // Trends In Genetics : TIG. - 1996. - április ( 12. évf. , 4. sz.). - 150-155 . o . — PMID 8901420 .
  13. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 250-251.
  14. ↑ Johnston C. , Martin B. , Fichant G. , Polard P. , Claverys JP Bakteriális átalakulás: eloszlás, megosztott mechanizmusok és eltérő szabályozás.  (angol)  // Nature Reviews. mikrobiológia. - 2014. - március ( 12. évf. , 3. sz.). - P. 181-196 . - doi : 10.1038/nrmicro3199 . — PMID 24509783 .
  15. ↑ Dorer MS , Fero J. , Salama NR DNS-károsodás genetikai cserét vált ki a Helicobacter pyloriban.  (angol)  // PLoS Pathogens. - 2010. - július 29. ( 6. köt. , 7. sz.). - P. e1001026-1001026 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001026 . — PMID 20686662 .
  16. ↑ Bernstein H., Bernstein C., Michod RE 1. fejezet: DNS-javítás mint a szex elsődleges adaptív funkciója baktériumokban és eukariótákban // DNA Repair: New Research  (neopr.) / Kimura S., Shimizu S.. - Nova Sci . Publ., Hauppauge, NY, 2012. 1-49. — ISBN 978-1-62100-808-8 . Archivált másolat (nem elérhető link) . Letöltve: 2018. november 16. Az eredetiből archiválva : 2013. október 29. 
  17. ↑ Donahue RA, Bloom FR Nagy volumenű transzformáció nagy áteresztőképességű, kémiailag kompetens sejtekkel  //  Focus : Journal. - 1998. - július ( 20. évf. , 2. sz.). - 54-56 . o .

Irodalom

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák