Naturalna kompetencja










Naturalna kompetencja. 1-DNA komórki bakteryjnej 2-Plazmidy komórki bakteryjnej 3-Pili płciowe 4-Plazmid obcego DNA z martwej komórki 5-Enzym restrykcyjny komórki bakteryjnej 6-Rozwinięty obcy plazmid 7-Ligaza DNA I: Plazmid obcego DNA z martwej komórki jest przechwytywany przez pilusy płciowe naturalnie kompetentnej komórki bakteryjnej. II:

Obcy plazmid jest transdukowany przez pilusy płciowe do komórki bakteryjnej, gdzie jest przetwarzany przez bakteryjne enzymy restrykcyjne. Enzymy restrykcyjne rozkładają obcy plazmid na nić nukleotydową, którą można dodać do bakteryjnego DNA. III: Ligaza DNA integruje obce nukleotydy z DNA komórki bakteryjnej. IV: Rekombinacja jest zakończona, a obcy DNA zintegrował się z DNA oryginalnej komórki bakteryjnej i nadal będzie jej częścią, gdy komórka bakteryjna będzie się dalej replikować.

W mikrobiologii , genetyce , biologii komórki i biologii molekularnej kompetencja to zdolność komórki do zmiany swojej genetyki poprzez pobieranie pozakomórkowego („nagiego”) DNA ze środowiska w procesie zwanym transformacją . Kompetencje można rozróżnić między kompetencjami naturalnymi , genetycznie określoną zdolnością bakterii , która, jak się uważa, występuje zarówno w warunkach naturalnych, jak i laboratoryjnych, oraz kompetencjami indukowanymi lub sztuczna kompetencja , która powstaje, gdy komórki w kulturach laboratoryjnych są traktowane, aby uczynić je przejściowo przepuszczalnymi dla DNA. Kompetencja pozwala na szybką adaptację i naprawę DNA komórki. Ten artykuł dotyczy przede wszystkim naturalnej kompetencji u bakterii, chociaż podano również informacje o sztucznej kompetencji.

Historia

Naturalną kompetencję odkrył Frederick Griffith w 1928 roku, kiedy wykazał, że preparat zabitych komórek patogennej bakterii zawiera coś, co może przekształcić spokrewnione komórki niepatogenne w patogenne. W 1944 roku Oswald Avery , Colin MacLeod i Maclyn McCarty wykazali, że tym „czynnikiem transformującym” jest czyste DNA . Był to pierwszy przekonujący dowód na to, że DNA przenosi informację genetyczną komórki.

Od tego czasu badano naturalną kompetencję wielu różnych bakterii, w szczególności Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae ("pneumokoki Griffitha"), Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae i członków rodzaju Acinetobacter . Obszary aktywnych badań obejmują mechanizmy transportu DNA, regulację kompetencji u różnych bakterii oraz ewolucyjną funkcję kompetencji.

Mechanizmy pobierania DNA

W laboratorium DNA jest dostarczane przez badacza, często w postaci zmodyfikowanego genetycznie fragmentu lub plazmidu . Podczas wychwytu DNA jest transportowane przez błony komórkowe i ścianę komórkową , jeśli taka występuje. Gdy DNA znajdzie się w komórce, może zostać zdegradowane do nukleotydów , które są ponownie wykorzystywane do replikacji DNA i innych funkcji metabolicznych . Alternatywnie może być rekombinowany do genomu komórki przez naprawę jej DNA enzymy. Jeśli ta rekombinacja zmienia genotyp komórki, mówi się, że komórka została przekształcona. Sztuczna kompetencja i transformacja są wykorzystywane jako narzędzia badawcze w wielu organizmach ( patrz Transformacja (genetyka) ).

U prawie wszystkich naturalnie kompetentnych bakterii składniki włókien pozakomórkowych zwanych pilusami typu IV (rodzaj fimbrii ) wiążą zewnątrzkomórkowy dwuniciowy DNA. DNA jest następnie przemieszczane przez błonę (lub błony w przypadku Gram-ujemnych ) przez wieloskładnikowe kompleksy białkowe napędzane degradacją jednej nici DNA. Jednoniciowy DNA w komórce jest wiązany przez dobrze konserwowane białko DprA, które ładuje DNA do RecA , co pośredniczy w rekombinacji homologicznej poprzez klasyczny szlak naprawy DNA .

Regulacja kompetencji

W kulturach laboratoryjnych naturalna kompetencja jest zwykle ściśle regulowana i często wyzwalana przez niedobory żywieniowe lub niekorzystne warunki. Jednak specyficzne sygnały indukujące i mechanizm regulacyjny są znacznie bardziej zmienne niż mechanizm wychwytujący i niewiele wiadomo na temat regulacji kompetencji w naturalnym środowisku tych bakterii. Odkryto czynniki transkrypcyjne regulujące kompetencje; przykładem jest sxy (znany również jako tfoX), który, jak stwierdzono, jest regulowany z kolei przez niekodujący element RNA 5' . U bakterii zdolnych do tworzenia przetrwalników , warunki wywołujące sporulację często pokrywają się z warunkami wywołującymi kompetencję. Zatem hodowle lub kolonie zawierające komórki przetrwalnikowe często zawierają również komórki kompetentne. Ostatnie badania przeprowadzone przez Süela i in. zidentyfikował pobudliwy moduł rdzenia genów, który może wyjaśnić wejście i wyjście z kompetencji, gdy bierze się pod uwagę szum komórkowy .

Uważa się, że większość kompetentnych bakterii pochłania wszystkie cząsteczki DNA z mniej więcej taką samą wydajnością, ale bakterie z rodzin Neisseriaceae i Pasteurellaceae preferencyjnie pobierają fragmenty DNA zawierające krótkie sekwencje DNA , określane jako sekwencja wychwytu DNA (DUS) u Neisseriaceae i sekwencja sygnałowa wychwytu (USS) w Pasteurellaceae, które są bardzo częste w ich własnych genomach. Genomy Neisserii zawierają tysiące kopii preferowanej sekwencji GCCGTCTGAA, a Pasteurellacean zawierają AAGTGCGGT lub ACAAGCGGT.

Funkcje ewolucyjne i konsekwencje kompetencji

Większość propozycji dotyczących pierwotnej ewolucyjnej funkcji naturalnej kompetencji jako części naturalnej transformacji bakteryjnej można podzielić na trzy kategorie: (1) selektywna przewaga różnorodności genetycznej; (2) pobieranie DNA jako źródło nukleotydów (DNA jako „pożywienie”); oraz (3) selektywna przewaga nowej nici DNA w promowaniu homologicznej naprawy rekombinacyjnej uszkodzonego DNA (naprawa DNA). Poczyniono również drugorzędną sugestię, zwracając uwagę na sporadyczne zalety poziomego transferu genów .

Hipoteza różnorodności genetycznej

Argumenty na poparcie różnorodności genetycznej jako podstawowej ewolucyjnej funkcji płci (w tym transformacji bakteryjnej) podają Barton i Charlesworth. oraz przez Otto i Gersteina. Jednak teoretyczne trudności związane z ewolucją płci sugerują, że płeć dla różnorodności genetycznej jest problematyczna. W szczególności w odniesieniu do transformacji bakteryjnej, kompetencje wymagają wysokich kosztów globalnej zmiany syntezy białek, na przykład z ponad 16 genami, które są włączane tylko podczas kompetencji Streptococcus pneumoniae . Jednakże, ponieważ bakterie mają tendencję do wzrostu w klonach, DNA dostępne do transformacji będzie generalnie miało ten sam genotyp, co komórki biorcy. Tak więc ekspresja białka zawsze wiąże się z wysokimi kosztami, ogólnie bez wzrostu różnorodności. Inne różnice między kompetencjami a płcią zostały uwzględnione w modelach ewolucji genów powodujących kompetencję; modele te wykazały, że postulowane korzyści rekombinacyjne wynikające z kompetencji były jeszcze bardziej nieuchwytne niż w przypadku płci.

Hipoteza DNA jako pokarmu

Druga hipoteza, DNA jako pożywienie, opiera się na fakcie, że komórki, które pobierają DNA, nieuchronnie nabywają nukleotydy, z których składa się DNA, a ponieważ nukleotydy są potrzebne dla DNA i RNA syntezy i są drogie w syntezie, mogą one stanowić znaczący wkład w budżet energetyczny komórki. Niektóre naturalnie kompetentne bakterie również wydzielają nukleazy do swojego otoczenia, a wszystkie bakterie mogą pobierać wolne nukleotydy, które te nukleazy wytwarzają ze środowiskowego DNA. Energetyka wychwytu DNA nie jest rozumiana w żadnym systemie, dlatego trudno jest porównać wydajność wydzielania nukleazy z wydajnością wychwytu DNA i wewnętrznej degradacji. Zasadniczo koszt produkcji nukleazy i niepewność odzyskiwania nukleotydów muszą być zrównoważone z energią potrzebną do syntezy mechanizmu wychwytującego i wciągnięcia DNA. Inne ważne czynniki to prawdopodobieństwo, że nukleazy i komórki kompetentne napotkają cząsteczki DNA, względna nieefektywność wychwytu nukleotydów ze środowiska i peryplazmy (gdzie jedna nić jest degradowana przez kompetentne komórki) oraz zaletę wytwarzania gotowych do użycia monofosforanów nukleotydów z drugiej nici w cytoplazmie. Innym czynnikiem komplikującym jest samonastawienie systemów pobierania DNA gatunków w rodzinie Pasteurellaceae i rodzaju Neisseria , co może odzwierciedlać selekcję pod kątem rekombinacji lub mechanistycznie wydajnego wychwytu.

Hipoteza naprawy uszkodzeń DNA

U bakterii problem uszkodzenia DNA jest najbardziej widoczny w okresach stresu, zwłaszcza stresu oksydacyjnego, który występuje w warunkach stłoczenia lub głodu. W takich warunkach często obecny jest tylko jeden chromosom. Odkrycie, że niektóre bakterie wywołują kompetencję w takich warunkach stresowych, potwierdza trzecią hipotezę, że transformacja istnieje, aby umożliwić naprawę DNA. W testach eksperymentalnych komórki bakteryjne narażone na czynniki uszkadzające ich DNA, a następnie przechodzące transformację, przeżywały lepiej niż komórki narażone na uszkodzenia DNA, które nie uległy transformacji (Hoelzer i Michod, 1991). Ponadto zdolność do poddania się transformacji jest często indukowana przez znane czynniki uszkadzające DNA (przegląd Michod i in ., 2008 oraz Bernstein i in ., 2012). Zatem silną krótkoterminową selektywną przewagą dla naturalnych kompetencji i transformacji byłaby jego zdolność do promowania naprawy homologicznej rekombinacyjnej DNA w warunkach stresu. Takie warunki stresowe mogą wystąpić podczas infekcji bakteryjnej podatnego gospodarza. Zgodnie z tą ideą Li i in. donieśli, że wśród różnych wysoce transformowalnych S. pneumoniae zdolność kolonizacji nosa i wirulencja (infekcyjność płuc) zależy od nienaruszonego systemu kompetencji.

Kontrargument został przedstawiony na podstawie raportu Redfielda z 1993 r., który stwierdził, że jednoniciowe i dwuniciowe uszkodzenie chromosomalnego DNA nie indukowało ani nie wzmacniało kompetencji ani transformacji u B. subtilis lub H. influenzae , co sugeruje, że selekcja do naprawy odegrała niewielką lub żadną rolę w ewolucji kompetencji u tych gatunków

Jednak nowsze dowody wskazują, że zdolność do transformacji jest rzeczywiście specyficznie indukowana przez warunki uszkadzające DNA. Na przykład Claverys i in . w 2006 roku wykazali, że czynniki uszkadzające DNA, mitomycyna C (środek sieciujący DNA) i fluorochinolon (inhibitor topoizomerazy, który powoduje pęknięcia podwójnej nici) indukują transformację Streptococcus pneumoniae . Ponadto Engelmoer i Rozen w 2011 wykazali, że w S. pneumoniae transformacja chroni przed bakteriobójczym działaniem mitomycyny C. Indukcja wydolności dodatkowo chroni przed antybiotykami kanomycyną i streptomycyną. Chociaż te antybiotyki aminoglikozydowe były wcześniej uważane za nieuszkadzające DNA, ostatnie badania Foti i wsp. z 2012 r . wykazali, że znaczna część ich aktywności bakteriobójczej wynika z uwalniania rodnika hydroksylowego i indukcji uszkodzeń DNA, w tym pęknięć dwuniciowych.

Dorer i wsp . w 2010 roku wykazali, że cyprofloksacyna, która oddziałuje z gyrazą DNA i powoduje powstawanie pęknięć dwuniciowych, indukuje ekspresję genów kompetencyjnych u Helicobacter pylori , prowadząc do wzmożonej transformacji. W 2011 roku badania Legionella pneumophila , Charpentier et al . przetestowali 64 toksyczne molekuły, aby określić, które z nich wywołują kompetencję. Tylko sześć z tych cząsteczek, wszystkie czynniki uszkadzające DNA, silnie indukowało kompetencję. Te cząsteczki to norfloksacyna , ofloksacyna i kwas nalidyksowy (inhibitory gyrazy DNA , które powodują pęknięcia podwójnej nici), mitomycyna C (która wytwarza wiązania krzyżowe między niciami), bicyklomycyna (powoduje pęknięcia pojedynczej i podwójnej nici) oraz hydroksymocznik (powoduje utlenianie zasad DNA). Charpentier i in . wykazali również, że promieniowanie UV indukuje kompetencje u L. pneumophila , a ponadto zasugerowali, że zdolność do transformacji wyewoluowała jako odpowiedź na uszkodzenie DNA.

Poziomy transfer genów

Długoterminowa korzyść może czasami wynikać z okazjonalnych przypadków poziomego transferu genów , zwanego również bocznym transferem genów (który może wynikać z niehomologicznej rekombinacji po wywołaniu kompetencji), co może zapewnić oporność na antybiotyki lub inne korzyści.

Niezależnie od natury selekcji pod kątem kompetencji, złożony charakter genomów bakteryjnych dostarcza wielu dowodów na to, że poziomy transfer genów spowodowany kompetencjami przyczynia się do różnorodności genetycznej, która umożliwia ewolucję.

Zobacz też

  1. ^    Avery OT, Macleod CM, McCarty M (1944). „Badania nad chemicznym charakterem substancji indukującej transformację typów pneumokoków” . J. Exp. Med . 79 (2): 137–58. doi : 10.1084/jem.79.2.137 . PMC 2135445 . PMID 19871359 .
  2. ^ a b    Chen I, Dubnau D (2004). „Wychwyt DNA podczas transformacji bakteryjnej”. Nat. Wielebny Microbiol . 2 (3): 241–9. doi : 10.1038/nrmicro844 . PMID 15083159 . S2CID 205499369 .
  3. ^    Johnston C, Martin B, Fichant G, Polard P, Claverys J (2014). „Transformacja bakteryjna: dystrybucja, wspólne mechanizmy i rozbieżna kontrola”. Nat. Wielebny Microbiol . 12 (3): 181–96. doi : 10.1038/nrmicro3199 . PMID 24509783 . S2CID 23559881 .
  4. ^   Solomon JM, Grossman AD (1996). „Kto jest kompetentny i kiedy: regulacja naturalnej kompetencji genetycznej bakterii”. Trendy Genet . 12 (4): 150–5. doi : 10.1016/0168-9525(96)10014-7 . PMID 8901420 .
  5. ^    Redfield RJ (wrzesień 1991). „sxy-1, mutacja Haemophilus influenzae powodująca znacznie zwiększoną spontaniczną kompetencję” . J. Bacteriol . 173 (18): 5612–8. doi : 10.1128/jb.173.18.5612-5618.1991 . PMC 208288 . PMID 1653215 .
  6. ^    Süel GM, Garcia-Ojalvo J, Liberman LM, Elowitz MB (2006). „Pobudliwy obwód regulacyjny genu indukuje przejściowe różnicowanie komórkowe” (PDF) . Natura . 440 (7083): 545–50. Bibcode : 2006Natur.440..545S . doi : 10.1038/natura04588 . PMID 16554821 . S2CID 4327745 .
  7. Bibliografia    _ Redfield, RJ (2009). „Koewolucja sekwencji wychwytu DNA i proteomów bakteryjnych” . Biologia i ewolucja genomu . 1 : 45–55. doi : 10.1093/gbe/evp005 . PMC 2817400 . PMID 20333176 .
  8. ^   Barton NH, Charlesworth B (1998). „Dlaczego seks i rekombinacja?”. nauka . 281 (5385): 1986–1990. doi : 10.1126/science.281.5385.1986 . PMID 9748151 .
  9. ^   Otto SP, Gerstein AC (sierpień 2006). „Po co uprawiać seks? Genetyka populacji płci i rekombinacji”. Biochem Soc Trans . 34 (cz. 4): 519–522. doi : 10.1042/BST0340519 . PMID 16856849 .
  10. ^    Peterson S, Cline RT, Tettelin H, Sharov V, Morrison DA (listopad 2000). „Analiza ekspresji genów regulatorów kompetencji Streptococcus pneumoniae za pomocą mikromacierzy DNA” . J. Bacteriol . 182 (21): 6192–6202. doi : 10.1128/JB.182.21.6192-6202.2000 . PMC 94756 . PMID 11029442 .
  11. Bibliografia    _ „Czy seks z martwymi komórkami jest lepszy niż brak seksu?” . Genetyka . 119 (1): 213–21. doi : 10.1093/genetyka/119.1.213 . PMC 1203342 . PMID 3396864 .
  12. ^    Redfield RJ (2001). „Czy bakterie uprawiają seks?” . Nat. ksiądz Genet . 2 (8): 634–9. doi : 10.1038/35084593 . PMID 11483988 . S2CID 5465846 .
  13. ^   Dubnau D (1999). „Wychwyt DNA w bakteriach”. Annu Rev Microbiol . 53 (1): 217–44. doi : 10.1146/annurev.micro.53.1.217 . PMID 10547691 .
  14. Bibliografia    _ „Sekwencje wychwytu bakteryjnego DNA mogą gromadzić się wyłącznie dzięki napędowi molekularnemu” . Genetyka . 186 (2): 613–27. doi : 10.1534/genetyka.110.119438 . PMC 2954483 . PMID 20628039 .
  15. ^    Redfield R, Schrag M, martwy A (1997). „Ewolucja transformacji bakteryjnej: seks ze słabymi krewnymi” . Genetyka . 146 (1): 27–38. doi : 10.1093/genetics/146.1.27 . PMC 1207942 . PMID 9135998 .
  16. ^    Hoelzer MA, Michod RE (1991). „Naprawa DNA i ewolucja transformacji u Bacillus subtilis . III. Płeć z uszkodzonym DNA” . Genetyka . 128 (2): 215–23. doi : 10.1093/genetyka/128.2.215 . PMC 1204460 . PMID 1906416 .
  17. ^   Michod RE, Bernstein H, Nedelcu AM (2008). „Adaptacyjna wartość płci w patogenach drobnoustrojowych”. Zainfekuj Genet Evol . 8 (3): 267–85. doi : 10.1016/j.meegid.2008.01.002 . PMID 18295550 . http://www.hummingbirds.arizona.edu/Faculty/Michod/Downloads/IGE%20review%20sex.pdf
  18. Bibliografia   _ Karola Bernsteina; Richard E. Michod (2012). „Rozdział 1 - Naprawa DNA jako podstawowa funkcja adaptacyjna płci u bakterii i eukariontów”. Naprawa DNA: nowe badania . Wydawcy NOVA. s. 1–50. ISBN 978-1-62100-756-2 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2013-10-29 . Źródło 2012-04-13 . https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=31918
  19. ^    Li G, Liang Z, Wang X, Yang Y, Shao Z, Li M, Ma Y, Qu F, Morrison DA, Zhang JR (2016). „Uzależnienie od hipertransformowalnych izolatów pneumokoków do naturalnej transformacji pod kątem sprawności i wirulencji in vivo” . Infekować. odporność . 84 (6): 1887–901. doi : 10.1128/IAI.00097-16 . PMC 4907133 . PMID 27068094 .
  20. Bibliografia    _ „Ewolucja naturalnej transformacji: testowanie hipotezy naprawy DNA u Bacillus subtilis i Haemophilus influenzae ” . Genetyka . 133 (4): 755–61. doi : 10.1093/genetics/133.4.755 . PMC 1205397 . PMID 8462839 .
  21. ^ a b   Claverys, JP; Prudhomme, M; Martin, B (2006). „Indukcja regulacji kompetencji jako ogólna odpowiedź na stres u Gram-dodatnich ”. Annu Rev Microbiol . 60 (1): 451–475. doi : 10.1146/annurev.micro.60.080805.142139 . PMID 16771651 .
  22. ^ a b   Engelmoer, DJ; Rozen, DE (2011). „Kompetencja zwiększa przeżycie podczas stresu w Streptococcus pneumoniae ” . ewolucja . 65 (12): 3475–3485. doi : 10.1111/j.1558-5646.2011.01402.x . PMID 22133219 .
  23. Bibliografia    _ Devadoss, B; Winkler, JA; Collins, JJ; Walker, GC (2012). „Utlenianie puli nukleotydów guaniny leży u podstaw śmierci komórek przez antybiotyki bakteriobójcze” . nauka . 336 (6079): 315–319. Bibcode : 2012Sci...336..315F . doi : 10.1126/science.1219192 . PMC 3357493 . PMID 22517853 .
  24. ^    Dorer, MS; Fero, J; Salama, NR (2010). „Uszkodzenie DNA wyzwala wymianę genetyczną w Helicobacter pylori ” . Patog PLOS . 6 (7): e1001026. doi : 10.1371/journal.ppat.1001026 . PMC 2912397 . PMID 20686662 .
  25. ^ ab Charpentier    , X; Kay, E; Schneider, D; Shuman, HA (2011). „Antybiotyki i promieniowanie UV indukują zdolność do naturalnej przemiany u Legionella pneumophila ” . J Bakteriol . 193 (5): 1114–1121. doi : 10.1128/JB.01146-10 . PMC 3067580 . PMID 21169481 .
  26. Bibliografia   _ Chetelat, AA; Miller, B.; Muster, W; Pujadas, E; Strobel, R; Gocke, E. (1995). „Genotoksyczność 17 trucizn gyrazy i czterech topoizomerazy II ssaków w prokariotycznych i eukariotycznych systemach testowych”. Mutageneza . 10 (4): 343–351. doi : 10.1093/mutage/10.4.343 . PMID 7476271 .
  27. ^    Washburn, RS; Gottesman, ME (2011). „Zakończenie transkrypcji utrzymuje integralność chromosomu” . Proc Natl Acad Sci USA . 108 (2): 792–7. Bibcode : 2011PNAS..108..792W . doi : 10.1073/pnas.1009564108 . PMC 3021005 . PMID 21183718 .
  28. Bibliografia    _ Oikawa, S; Hasegawa, K; Kawanishi, S (2001). „Hydroksymocznik wywołuje specyficzne dla miejsca uszkodzenia DNA poprzez tworzenie nadtlenku wodoru i tlenku azotu” . Jpn J Cancer Res . 92 (11): 1166–1174. doi : 10.1111/j.1349-7006.2001.tb02136.x . PMC 5926660 . PMID 11714440 .
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Natural_competence&oldid=1065405769 ”