Idi na sadržaj

Bakterijska konjugacija

Nepregledano
S Wikipedije, slobodne enciklopedije

Bakterijska konjugacija je prijenos genetičkog materijala između bakterijskih ćelija direktnim kontaktom ćelija ili vezom nalik mostu između dvije ćelije.[1] This takes place through a pilus.[2]

Escherichia coli konjugirajući pomoću F- pilusa. Ovi dugi i robusni vanćelijski dodaci služe kao fizički kanali za translokaciju DNK.[3]

To je mehanizam horizontalnog transfera gena kao što su transformacija i transdukcija, iako ova dva druga mehanizma ne uključuju kontakt između ćelija.[4] Klasična bakterijska konjugacija E. coli često se smatra bakterijskim ekvivalentom [[spolno razmnožavanje|spolne reprodukcije]] ili parenja, budući da uključuje razmjenu genetičkog materijala. Međutim, to nije spolna reprodukcija, jer ne dolazi do razmjene gameta, a zapravo ni do stvaranja novog organizma: umjesto toga, transformira se postojeći organizam Tokom klasične konjugacije E. coli, ćelija donor osigurava konjugativni ili mobilizirajući genetički element koji je najčešće plazmid ili transpozon.[5] Većina konjugativnih plazmida ima sisteme koji osiguravaju da ćelija "primatelj" već ne sadrži sličan element. Prenesena genetička informacija je često korisna za primatelja. Koristi mogu uključivati otpornost na antibiotike, ksenobiijsku toleranciju ili sposobnost korištenja novih metabolita.ref name=Baron /> Ostali elementi mogu biti štetni i mogu se smatrati bakterijskim parazitima. Konjugacija u Escherichia coli spontanom zigogenezom,[6] a u Mycobacterium smegmatis distributivnim konjugacijsluim transferom; [7][8] razlikuju se od bolje proučene klasične konjugacije E. coli po tome što ovi slučajevi uključuju značajno miješanje roditeljskih genoma.

Historija

[uredi | uredi izvor]

Proces su otkrili Joshua Lederberg i Edward Tatum,[9] 1946.

Mehanizam

[uredi | uredi izvor]
Shematski prikaz bakterijske konjugacije.
Dijagram konjugacije
  1. Donorska ćelija proizvodi pilus.
  2. Pilus se veže za ćeliju primaoca i spaja dvije ćelije.
  3. Mobilni plazmid se presijeca i jedan lanac DNK se zatim prenosi u ćeliju primatelja.
  4. Obje ćelije sintetiziraju komplementarni lanac kako bi proizvele dvolančani kružni plazmid, a

također reproduciraju piluse; obje ćelije su sada održivi donori za F-faktor.[1] F-faktor je episom (plazmid koji se može integrirati u bakterijski hromosom putem homologne rekombinacije) dužine oko 100 kb. Nosi vlastito polazište replikacije, oriV, i mjesto porijekla transfera, ili oriT.[5] U datoj bakteriji može postojati samo jedna kopija F-plazmida, bilo slobodna ili integrirana, a bakterije koje posjeduju kopiju nazivaju se F-pozitivne ili F-plus (označava se kao F+). Ćelije kojima nedostaju F plazmidi nazivaju se F-negativne ili F- minus (F−) i kao takve mogu funkcionirati kao prijemne ćelije. Između ostalih genetičkih informacija, F-plazmid nosi tra i trb lokus, koji su zajedno dugi oko 33 kb i sastoje se od oko 40 gena. Lokus tra uključuje gen pilin i regulatorne gene, koji zajedno formiraju piluse na površini ćelije. Lokus također uključuje gene za proteine, koji se vežu za površinu F− bakterija i iniciraju konjugaciju. Iako postoji određena debata o tačnom mehanizmu konjugacije, čini se da su pilusi strukture kroz koje se odvija razmjena DNK. F-pilusi su izuzetno otporni na mehanički i termohemijski stres, što garantuje uspješnu konjugaciju u različitim okruženjima.[10] Nekoliko proteina kodiranih u lokusu tra ili trb izgleda otvara kanal između bakterija i smatra se da enzim traD, koji se nalazi u bazi pilusa, inicira fuziju membrane. Kada signal inicira konjugaciju, relaksaza enzim stvara nick u jednom od lanaca konjugativnog plazmida na oriT. Relaksaza može djelovati samostalno ili u kompleksu od preko desetak proteina poznatih zajednički kao relaksosom. U F-plazmidnom sistemu, enzim relaksaza se naziva TraI, a relaksosom se sastoji od TraI, TraY, TraM i integriranog faktora domaćina IHF. Zarezani lanac, ili T-lanac, se zatim odmotava od neprekinutog lanca i prenosi u ćeliju primatelja u smjeru od 5'-terminusa do 3'-terminusa. Preostali lanac se replicira ili nezavisno od konjugacije (vegetativna replikacija koja počinje od oriV) ili u skladu s konjugacijom (konjugativna replikacija slična replikaciji kotrljajućeg kruga lambda faga). Konjugacijska replikacija može zahtijevati drugi zarez prije nego što se može dogoditi uspješan prijenos. Nedavni izvještaj tvrdi da je inhibirao konjugaciju hemikalijama koje oponašaju međukorak ovog drugog zareza.[11]

1. insercijska sekvence (žute) i na plazmidu [[faktor plodnosti (bakterije)|F-faktor]] i na hromosomu imaju slične sekvence, što omogućava F-faktoru da se ubaci u genom ćelije. Ovo se naziva homologna rekombinacija i stvara Hfr (visokofrekventna rekombinacija) ćelija. 2. Hfr ćelija formira pilus i veže se za F-ćeliju primaoca. 3. Stvara se zarez u jednom lancu hromosoma Hfr ćelije. 4. DNK počinje da se prenosi iz Hfr ćelije u ćeliju primaoca dok se drugi lanac njenog hromosoma replicira. 5. Pilus se odvaja od ćelije primaoca i povlači. Hfr ćelija idealno želi da prenese cijeli svoj genom u ćeliju primaoca. Međutim, zbog svoje velike veličine i nemogućnosti da ostane u kontaktu sa ćelijom primaoca, to nije u mogućnosti. 6.a. F- ćelija ostaje F- jer nije primljen cijeli niz F-faktora. Pošto nije došlo do homologne rekombinacije, prenesena DNK se razgrađuje enzimima.[12] b. U vrlo rijetkim slučajevima, F-faktor će biti potpuno prenesen i F-ćelija će postati Hfr-ćelija.<ef name="Griffiths_1999"/>

Ako je F-plazmid koji se prenosi prethodno integriran u genom donora (proizvodeći Hfr soj ["Visoka frekvencija rekombinacije"]), dio hromosomske DNK donora također se može prenijeti s plazmidnom DNK.[4] Količina hromosomske DNK koja se prenosi ovisi o tome koliko dugo dvije konjugirajuće bakterije ostaju u kontaktu. Kod uobičajenih laboratorijskih sojeva E. coli prijenos cijelog bakterijskog hromosoma traje oko 100 minuta. Prenesena DNK se zatim može integrirati u genom primatelja putem homologne rekombinacije. Ćelijska kultura koja u svojoj populaciji sadrži ćelije s neintegriranim F-plazmidima obično sadrži i nekoliko ćelija koje su slučajno integrirale svoje plazmide. Upravo su te ćelije odgovorne za niskofrekventne hromosomske transfere gena koji se javljaju u takvim kulturama. Neki sojevi bakterija s integriranim F-plazmidom mogu se izolirati i uzgajati u čistoj kulturi. Budući da takvi sojevi vrlo efikasno prenose hromosomske gene, nazivaju se Hfr (hvisoka fučestalost rekombinacije). Genom E. coli je prvobitno mapiran eksperimentima prekinutog parenja u kojima su različite Hfr ćelije u procesu konjugacije odvojene od primalaca nakon manje od 100 minuta (u početku korištenjem Waringovog blendera). Geni koji su preneseni su zatim istraženi. Budući da je integracija F-plazmida u hromosom E. coli rijetka spontana pojava, a budući da se brojni geni koji promoviraju prijenos DNK nalaze u plazmidnom genomu, a ne u bakterijskom, tvrdi se da konjugativni bakterijski prijenos gena, kao što se događa u Hfr sistemu E.coli, nije evolucijska adaptacija bakterijskog domaćina, niti je vjerovatno pretka eukariotskog spola.[13]

Spontana zigogeneza u E. coli

Pored klasične bakterijske konjugacije opisane gore za E. coli, kod određenih sojeva E. coli uočava se oblik konjugacije koji se naziva spontana zigogeneza (skraćeno Z-sparivanje).[6] Kod Z-parenja dolazi do potpunog genetičkog miješanja, te se formiraju nestabilni diploidi koji odbacuju fenotipski haploidne ćelije, od kojih neke pokazuju roditeljski fenotip, a neke su prave rekombinanti.

Konjugacijski transfer kod mikobakterija

[uredi | uredi izvor]

Konjugacija kod Mycobacteria smegmatis, poput konjugacije kod E. coli, zahtijeva stabilan i produženi kontakt između donorskog i primareljskog soja, otporna je na DNazu, a prenesena DNK se ugrađuje u hromosom primatelja, homolognom rekombinacijom. Međutim, za razliku od Hfr konjugacije kod E. coli, konjugacija mikobakterija je zasnovana na hromosomu, a ne na plazmidu.[7][8] Nadalje, za razliku od Hfr konjugacije kod E. coli, kod M. smegmatis svi regioni hromosoma se prenose sa uporedivom efikasnošću. Dužine donorskih segmenata se uveliko razlikuju, ali imaju prosječnu dužinu od 44,2 kb. Budući da se u prosjeku prenosi 13 trakova, prosječna ukupna prenesena DNK po genomu je 575 kb.[8] Ovaj proces se naziva "Distributivni konjugacijski transfer".[7][8] Gray i saradnici[7] otkrili su značajno miješanje roditeljskih genoma, kao rezultat konjugacije i smatrali su da ovo miješanje podsjeća na ono koje se vidi u mejotskim proizvodima seksualne reprodukcije.

Prijenos DNK sličan konjugaciji kod hipertermofilnih arheja

[uredi | uredi izvor]

Hipertermofilne arheje kodiraju piluse strukturno slične bakterijskim konjugacijskim pilusima.[14] Međutim, za razliku od bakterija, gdje aparat za konjugaciju obično posreduje u prijenosu mobilnih genetičkih elemenata, poput plazmida ili transpozona, konjugacijski mehanizam hipertermofilnih arheja, nazvan Ced (Crenarchaeal system for exchange of DNA)[15] i Ted (Termoprotealni sistem za razmjenu DNK),[14] izgleda da je odgovoran za transfer ćelijske DNK između članova iste vrste. Sugerisano je da je kod ovih arheja mehanizam konjugacije u potpunosti pripitomljen za promoviranje popravke DNK, putem homologne rekombinacije, a ne širenja mobilnih genetučkih elemenata.[14] Pored konjugativnog pilusa sličnog VirB2, Ced i Ted sistemi uključuju komponente za transmembransku poru za sparivanje sličnu VirB6 i ATPazu sličnu VirB4.[14]

Transfer između carstava

[uredi | uredi izvor]
Gala bakterije Agrobacterium tumefaciens u korijenu biljke Carya illinoensis.

Bakterije povezane sa fiksacijom dušika Rhizobia su zanimljiv slučaj konjugacije među pipadnicima različitih carsatva.[16] Naprimjer, plazmid koji inducira tumor (Ti) bakterije Agrobacterium i plazmid koji inducira tumor korijena (Ri) bakterije A. rhizogenes sadrže gene koji se mogu prenijeti u biljne ćelije. Ekspresija ovih gena efikasno transformira biljne ćelije u fabrike koje proizvode opine. Bakterije koriste opine kao izvore dušika i energije. Zaražene ćelije formiraju [[Agrobacterium tumefaciens|krunsku žuč]] ili korijenake tumore. Plazmidi Ti i Ri su stoga endosimbionti bakterija, koje su pak endosimbionti (ili paraziti) zaražene biljke. Plazmidi Ti i Ri se također mogu prenositi između bakterija, korištenjem sistema („tra“ ili [[transfer gena|operon]]) koji je drugačiji i nezavisan od sistema koji se koristi za transfer između carstava („vir“ ili virulencija, operon). Takvi transferi stvaraju virulentne sojeve od prethodno avirulentnih sojeva.

Primjena genetičkog inženjerstva

[uredi | uredi izvor]

Konjugacija je pogodno sredstvo za prijenos genetičkog materijala na različite ciljeve. U laboratorijama su zabilježeni uspješni transferi s bakterija na kvasac,[17] plants, mammalian cells,[18][19] diatomea[20] i izolovanih sisarskih mitohondrija.[21] Konjugacija ima prednosti u odnosu na druge oblike genetičkog transfera, uključujući minimalno narušavanje ćelijske membrane i sposobnost transfera relativno velikih količina genetičkog materijala (vidi gornju diskusiju o transferu hromosoma E. coli). U biljnom inženjerstvu, konjugacija slična todu Agrobacterium nadopunjuje druge standardne nosače kao što je virus mozaika duhana (TMV). Iako je TMV sposoban zaraziti mnoge biljne porodice, to su prvenstveno dikotiledone biljke. Monokotoledondka konjugacija slična rodu Agrobacterium također se prvenstveno koristi za dikotiledone, ali recipijenti monokotiledone nisu neuobičajeni.

Također pogledajte

[uredi | uredi izvor]

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. 1 2 Holmes, Randall K.; Jobling, Michael G. (1996). "Genetics". u Baron S (ured.). Genetics: Conjugation. in: Baron's Medical Microbiology (4th izd.). Univ of Texas Medical Branch. ISBN 0-9631172-1-1. PMID 21413277. line feed character u |publisher= na mjestu 5 (pomoć); line feed character u |title= na mjestu 31 (pomoć)
  2. ↑ Dr.T.S.Ramarao M.sc, Ph.D. (1991). B.sc Botany-Volume-1. line feed character u |title= na mjestu 5 (pomoć)
  3. ↑ Patkowski, Jonasz (21. 4. 2023). "F-pilus, the ultimate bacterial sex machine". Nature Portfolio Microbiology Community.
  4. 1 2 Griffiths, AJF (1999). [https://web.archive.org/web/20200208101618/https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/ NBK21942/ An Introduction to genetic analysis] Provjerite vrijednost parametra |archive-url= (pomoć) (7th izd.). San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-3520-5. Arhivirano s originala, |archive-url= zahtijeva |archive-date= (pomoć). Pristupljeno 11. 8. 2023. Nepoznati parametar |archive- date= zanemaren (pomoć); line feed character u |publisher= na mjestu 5 (pomoć); line feed character u |archive-url= na mjestu 79 (pomoć)
  5. 1 2 Ray, C.G., ured. (2004). Sherris Medical Microbiology (4th izd.). New York: McGraw Hill. str. 60–64. ISBN [[Special:BookSources/978-0- 8385-8529-0|978-0- 8385-8529-0]]. Nepoznati parametar |editor1- last= zanemaren (pomoć); line feed character u |isbn= na mjestu 7 (pomoć); |editor1-first= nedostaje |editor1-last= (pomoć)
  6. 1 2 Gratia, Jean-Pierre; Thiry, Marc (1 September 2003). "Spontaneous zygogenesis in Escherichia coli, a form of true sexuality in prokaryotes". Microbiology. 149 (9): 2571–2584. doi:10.1099/mic.0.26348-0. PMID 12949181. Nepoznati parametar |doi- access= zanemaren (pomoć); line feed character u |date= na mjestu 12 (pomoć); line feed character u |title= na mjestu 27 (pomoć); Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)
  7. 1 2 3 4 Gray, Todd A.; Krywy, Janet A.; Harold, Jessica; Palumbo, Michael J.; Derbyshire, Keith M. (9 July 2013). "Distributive Conjugal Transfer in Mycobacteria Generates Progeny with Meiotic-Like Genome- Wide Mosaicism, Allowing Mapping of a Mating Identity Locus". PLOS Biology. 11 (7). doi:10.1371/journal.pbio.1001602. PMC 3706393. PMID 23874149. line feed character u |date= na mjestu 7 (pomoć); line feed character u |title= na mjestu 91 (pomoć); Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)
  8. 1 2 3 4 Derbyshire, Keith M.; Gray, Todd A. (17 January 2014). "Distributive Conjugal Transfer: New Insights into Horizontal Gene Transfer and Genetic Exchange in Mycobacteria". Microbiology Spectrum. 2 (1). doi:10.1128/microbiolspec.MGM2-0022-2013. PMC 4259119. PMID 25505644. line feed character u |date= na mjestu 3 (pomoć); line feed character u |title= na mjestu 61 (pomoć); line feed character u |first1= na mjestu 6 (pomoć); Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)
  9. ↑ Lederberg, Joshua; Tatum, E. L. (oktobar 1946). "Gene Recombination in Escherichia Coli". Nature. 158 (4016): 558. Bibcode:1946Natur.158..558L. doi:10.1038/158558a0. PMID 21001945. S2CID 1826960.
  10. ↑ Patkowski, Jonasz B.; Dahlberg, Tobias; Amin, Himani; Gahlot, Dharmender K.; Vijayrajratnam, Sukhithasri; Vogel, Joseph P.; Francis, Matthew S.; Baker, Joseph L.; Andersson, Magnus; Costa, Tiago R. D. (5. 4. 2023). "The F-pilus biomechanical adaptability accelerates conjugative dissemination of antimicrobial resistance and biofilm formation". Nature Communications. 14 (1): 1879. doi:10.1038/s41467-023-37600-y. PMC 10076315 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć). PMID 37019921 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć). line feed character u |title= na mjestu 63 (pomoć)
  11. ↑ Lujan, Scott A.; Guogas, Laura M.; Ragonese, Heather; Matson, Steven W.; Redinbo, Matthew R. (24. 7. 2007). "Disrupting antibiotic resistance propagation by inhibiting the conjugative DNA relaxase". Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (30): 12282–12287. Bibcode:2007PNAS..10412282L. doi:10.1073/pnas.0702760104. JSTOR 25436291. PMC 1916486. PMID 17630285.
  12. ↑ Mayer, Gene. "Genetic Exchange". www.microbiologybook.org. Pristupljeno 4. 12. 2017.
  13. ↑ Michod, Richard E.; Bernstein, Harris; Nedelcu, Aurora M. (maj 2008). [https://web.archive.org/web/20161230121043/http://www.hummingbirds.arizona.edu /Faculty/Michod/Downloads/IGE%20review%20sex.pdf "Adaptive value of sex in microbial pathogens"] Provjerite vrijednost parametra |archive-url= (pomoć) (PDF). Infection, Genetics and Evolution. 8 (3): 267–285. Bibcode:2008InfGE...8..267M. doi:10.1016/j.meegid.2008.01.002. PMID 18295550. Arhivirano s originala (PDF), 30. 12. 2016. Pristupljeno 2013-04- 22. line feed character u |access-date= na mjestu 9 (pomoć); line feed character u |journal= na mjestu 24 (pomoć); line feed character u |archive-url= na mjestu 79 (pomoć); Provjerite vrijednost datuma u parametru: |access-date= (pomoć)
  14. 1 2 3 4 Beltran, Leticia C.; Cvirkaite-Krupovic, Virginija; Miller, Jessalyn; Wang, Fengbin; Kreutzberger, Mark A. B.; Patkowski, Jonasz B.; Costa, Tiago R. D.; Schouten, Stefan; Levental, Ilya; Conticello, Vincent P.; Egelman, Edward H.; Krupovic, Mart (7. 2. 2023). "Archaeal DNA-import apparatus is homologous to bacterial conjugation machinery". Nature Communications. 14 (1): 666. Bibcode:2023NatCo..14..666B. doi:10.1038/s41467-023-36349-8. ISSN 2041-1723. PMC 9905601 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć). PMID 36750723 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć). line feed character u |title= na mjestu 33 (pomoć); line feed character u |first11= na mjestu 7 (pomoć)
  15. ↑ van Wolferen, Marleen; Wagner, Alexander; van der Does, Chris; Albers, Sonja-Verena (1. 3. 2016). "The archaeal Ced system imports DNA". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (9): 2496–2501. Bibcode:2016PNAS..113.2496V. doi:10.1073/pnas.1513740113. ISSN 1091-6490. PMC 4780597. PMID 26884154. Nepoznati parametar |author- link4= zanemaren (pomoć)
  16. ↑ Pan, Shen Q.; Jin, Shouguang; Boulton, Margaret I.; Hawes, Martha; Gordon, Milton P.; Nester, Eugene W. (juli 1995). "An Agrobacterium virulence factor encoded by a Ti plasmid gene or a chromosomal gene is required for T-DNA transfer into plants". Molecular Microbiology. 17 (2): 259–269. doi:10.1111/j.1365-2958.1995.mmi_17020259.x. PMID 7494475. S2CID 38483513. line feed character u |title= na mjestu 27 (pomoć)
  17. ↑ Heinemann, Jack A.; Sprague, George F. (juli 1989). "Bacterial conjugative plasmids mobilize DNA transfer between bacteria and yeast". Nature. 340 (6230): 205–209. Bibcode:1989Natur.340..205H. doi:10.1038/340205a0. PMID 2666856. S2CID 4351266.
  18. ↑ Kunik, Tayla; Tzfira, Tzvi; Kapulnik, Yoram; Gafni, Yedidya; Dingwall, Colin; Citovsky, Vitaly (13. 2. 2001). "Genetic transformation of HeLa cells by Agrobacterium". Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (4): 1871–1876. Bibcode:2001PNAS...98.1871K. doi:10.1073/pnas.041327598. PMC 29349. PMID 11172043.
  19. ↑ Waters, Virginia L. (decembar 2001). "Conjugation between bacterial and mammalian cells". Nature Genetics. 29 (4): 375–6. doi:10.1038/ng779. PMID 11726922. S2CID 27160.
  20. ↑ Karas, Bogumil J.; Diner, Rachel E.; Lefebvre, Stephane C.; McQuaid, Jeff; Phillips, Alex P.R.; Noddings, Chari M.; Brunson, John K.; Valas, Ruben E.; Deerinck, Thomas J. (21. 4. 2015). "Designer diatom episomes delivered by bacterial conjugation". Nature Communications (jezik: engleski). 6. Bibcode:2015NatCo...6.6925K. doi:10.1038/ncomms7925. ISSN 2041-1723. PMC 4411287. PMID 25897682. Nepoznati parametar |article-number= zanemaren (pomoć); line feed character u |title= na mjestu 16 (pomoć)
  21. ↑ Yoon, Young Geol; Koob, Michael D. (2005). "Transformation of isolated mammalian mitochondria by bacterial conjugation". Nucleic Acids Research. 33 (16): e139. doi:10.1093/nar/gni140. PMC 1201378. PMID 16157861. line feed character u |journal= na mjestu 8 (pomoć)

Vanjski linkovi

[uredi | uredi izvor]

Šablon:Genetička rekombinacija

Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Bakterijska_konjugacija&oldid=3789041"