Transdukcija ģenētikā — bakteriofāgu vīrusu mediēta DNS pārnese

Transdukcija ir process, kurā ar vīrusa palīdzību DNS tiek pārnesta no vienas baktērijas uz citu.

Džošua Lederbergs un viņa absolvents Nortons Zinders 1952. gadā parādīja, ka bakteriofāgi var pārnest ģenētisko informāciju starp Salmonella baktērijām. Šis process izskaidroja, kā dažādu sugu baktērijas var ļoti ātri iegūt rezistenci pret vienu un to pašu antibiotiku.

Transdukcija ir arī process, kurā svešas DNS tiek ievadīta citā šūnā ar vīrusa vektora palīdzību. To parasti izmanto molekulārbiologi, lai ieviestu svešu gēnu saimnieka šūnas genomā.

Kad bakteriofāgi inficē baktēriju šūnu, to normālais vairošanās veids ir izmantot saimnieka baktēriju šūnas replikācijas, transkripcijas un translācijas mehānismu, lai izveidotu daudzas pilnīgas vīrusa daļiņas, tostarp vīrusa DNS vai RNS un proteīna apvalku. Kļūdas šajā procesā var izraisīt to, ka vīruss pārnes DNS no vienas baktērijas uz citu.

Transdukcijas veidi

Pastāv divi galvenie transdukcijas veidi:

• Generalizētā transdukcija — notiek galvenokārt lītisko (lytisko) fāgu infekcijas laikā. Kad fāga genomu izgatavošana notiek, reizēm daži nejauši iepakoti DNS fragmenti ir saimniekorganisma (baktērijas) gēni. Šie nejaušie partikulāri jeb transdukcijas daļiņas var inficēt citas baktērijas un nogādāt tajās saimnieka DNS fragmentus. Šajā procesā pārnēsātā DNS var būt jebkura saimniekšūnas daļa.
• Specializētā transdukcija — saistīta ar temperento fāgu (piemēram, lambda fāgu), kas integrējas saimnieka hromosomā kā profāgs. Ja profāgs no hromosomas izgriežas neprecīzi, tas var kopā ar fāga DNS izņemt arī blakus esošos saimniekšūnas gēnus. Šie specifiskie gēni tiek pārnesti tikai tad, ja tie bija blakus profāga integrācijas vietai.

Molekulārā mehānika — kā tas notiek

Transdukcijas pamatā ir fāgu dzīves cikla un pakotnes (packaging) kļūdas:

• Fāga inficē baktēriju un izmanto saimnieka biosintētiskās sistēmas, lai replikētu savu nukleīnskābi un sintezētu kapsīdas proteīnus.
• Dažkārt, vietā, kur jāiepako fāga genoma fragmentam, iekļūst arī fragments no baktērijas DNS. Rezultātā daļa saražoto fāgu partikulāru satur baktērijas DNS, nevis pilnu fāga genomu.
• Šie transdukcijas daļiņas var pievienoties citai baktērijai un ievadīt tajā iepakoto bakterijas DNS fragmentu. Ja fragments satur integrējamu gēnu vai homologu reģionu, tas var rekombinēties ar saimnieka genomu un mainīt baktērijas īpašības (piem., sniegt antibiotiku rezistenci).

Nozīme evolūcijā un medicīnā

Horizontālā gēnu pārnese: transdukcija ir viens no galvenajiem mehānismiem, kā baktērijas apmainās ģenētisko informāciju — līdztekus konjugācijai un transformācijai. Tā paātrina jaunu fenotipu izplatīšanos populācijās, piemēram, antibiotiku rezistences gēnu izplatību starp taksonomiski tālām baktēriju sugām.

Klīniskā nozīme: transdukcijas dēļ rezistences gēni var pārvietoties no vienām baktēriju sugām uz citām, radot multidrugu rezistentas celmus, kas apgrūtina infekciju ārstēšanu. Tāpat transdukcija var izplatīt toksīnu kodējošus gēnus, mainot patogenitāti.

Molekulārbioloģiskie un biotehnoloģiskie pielietojumi

Transdukciju izmanto laboratorijās kā rīku:

• Fāgu vektori ļauj ievadīt noteiktus gēnus baktēriju šūnās vai citos modeļorganismos.
• To izmanto gēnu klonēšanā, ģenētisko bibliotēku veidošanā, ģenētiskajā kartēšanā un funkciju analīzē.
• Piemēram, P1 fāgs tradicionāli tiek lietots kā rīks generalized transduction E. coli genētiskajā manipulācijā.

Drošība, ierobežojumi un kontroles pasākumi

Transdukcija var būt negaidīts riska faktors gan dabiskā vidē, gan laboratorijās:

• Kontrole laboratorijā: darba vietās ar fāgiem jāievēro biosaimniecības un biokontroles principus, lai samazinātu negaidītu gēnu izplatību. Tas īpaši attiecas uz gadījumiem, kur manipulē ar rezistences vai toksicitātes gēniem.
• Limitācijas: transdukcijas efektivitāte ir atkarīga no fāga tipa, hosta sugas, DNS fragmenta lieluma un rekombinācijas mehānismiem. Ne visu veidu DNS var efektīvi pārnēsāt vai integrēt jaunā saimniekā.

Atklāšana un pētniecība

Transdukcijas notikumu var noteikt, sekojot fenotipiem (piem., jauna rezistence parādās), izmantojot molekulāras metodes — PCR, secvenēšanu un genoma analīzi, lai pierādītu, ka pārnēsātā DNS cēlies no citas šūnas vai sugas.

Kopsavilkumā, transdukcija ir būtisks mehānisms mikrobu ģenētiskajā dinamismā ar lielu lomu gan dabiskā evolūcijā, gan biotehnoloģijā un klīniskajā mikrobioloģijā. Sapratne par tās mehāniku palīdz izstrādāt stratēģijas infekciju kontrolei, drošākai gēnu inženierijai un jauniem terapeitiskiem risinājumiem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir transdukcija?

J: Kas atklāja bakteriofāgu spēju pārnest ģenētisko informāciju starp baktērijām?

J: Kāpēc pārnese ir svarīga, lai izprastu rezistenci pret antibiotikām?

Kāds ir izplatīts instruments, ko izmanto molekulārbiologi, lai ieviestu svešu gēnu saimnieka šūnas genomā?

J: Kā vairojas bakteriofāgi?

Kādas kļūdas bakteriofāga pavairošanas procesā var izraisīt to, ka vīruss pārnes DNS no vienas baktērijas uz citu?

J: Kā notiek transdukcija ar vīrusa vektora palīdzību?

Meklēt pēc burta