Baktēriju konjugācija — horizontālā gēnu pārnese un plazmīdas

Baktēriju konjugācija: saprotama horizontālās gēnu pārneses un plazmīdu loma — rezistence, mobilitāte un mikrobu adaptācija.

Baktēriju konjugācija ir ģenētiskā materiāla pārnese starp baktēriju šūnām, izmantojot tiešu kontaktu starp šūnām vai tiltiņveida savienojumu starp divām šūnām.

Konjugācija ir horizontālās gēnu pārneses mehānism, tāpat kā transformācija un transdukcija, lai gan šie divi citi mehānismi neietver kontaktu starp šūnām.

Baktēriju konjugāciju atklāja Nobela prēmijas laureāti Džošua Lederbergs un Edvards Tatums. Viņi pierādīja, ka baktērija Escherichia coli nonāca seksuālā fāzē, kuras laikā tā var dalīties ar ģenētisko informāciju.

Baktēriju konjugāciju bieži vien kļūdaini uzskata par dzimumvairošanās ekvivalentu, jo tā ietver ģenētiskā materiāla apmaiņu. Konjugācijas laikā donoršūna nodrošina konjugatīvu vai mobilizējamu ģenētisko elementu, kas visbiežāk ir plazmīda vai transpozons. Lielākajai daļai konjugatīvo plazmīdu ir sistēmas, kas nodrošina, ka recipienta šūnā jau nav līdzīga elementa.

Pārnestā ģenētiskā informācija bieži vien ir saņēmējam labvēlīga. Ieguvumi var būt rezistence pret antibiotikām, tolerance pret ksenobiotikām vai spēja izmantot jaunus metabolītus. Šādas labvēlīgas plazmīdas var uzskatīt par baktēriju endosimbiontiem. Savukārt citus elementus var uzskatīt par baktēriju parazītiem un konjugāciju - par mehānismu, kas attīstījies, lai ļautu tiem izplatīties.

Kā notiek konjugācija (mekanisms)

Konjugācijas pamatsoļi parasti ir šādi:

• Sazināšanās un piesaiste. Donoršūna (bieži apzīmēta kā F+ vai konjugatīvais donors) izaugina konjugatīvo siju (sex pilus) vai citus adhēzijas elementus, kas piesaista recipienta šūnu (F−).
• Otrpusējs kontakts un virzīšanās. Pils vai sekrēcijas sistēma veido stabilu kontakta zonu — tā saukto “mating bridge”, caur kuru var pārnest nukleīnskābi.
• OriT un relaxāzes darbība. Konjugatīvā elementa oriT (origin of transfer) tiek atpazīts, un īpaša enzīma — relaxāzes — izveido vienpavediena niksi (šķēlumu) vienā pavedienā plazmīdas DNS.
• Vienpavediena pārnese. Atsevišķais DNS pavediens tiek transportēts uz recipienta šūnu, bieži ar palīdzību no tipa IV sekrēcijas sistēmas vai līdzīgām olbaltumvielu kompleksu struktūrām.
• Rolling-circle replikācija. Donoršūnā kopējais elements tiek papildināts, izmantojot rolling-circle replikāciju, lai saglabātu dvīņu kopijas; recipiens pārvērš saņemto vienpavediena DNS par divpavediena formu.

Galvenie elementi un varianti

• Konjugatīvās plazmīdas: tās satur gan oriT, gan gēnus, kas kodē pili/un citu pārneses aparātu. Dažas plazmīdas ir plaša saimniekorganismu diapazona, citas — šauri specializētas.
• Mobilizējamās plazmīdas: tām ir oriT, bet trūkst pārneses aparāta — tās var tikt mobilizētas, ja tajā pašā šūnā ir konjugatīva plazmīda, kas nodrošina transmisijas funkcijas.
• Integrējošie konjugatīvie elementi (ICE) un konjugatīvie transpozoni: šie elementi var integrēties hromosomā un vēlāk izgriezties un tikt pārnesti; piemēram, transpozons Tn916 ir labi pazīstams mobilitātes elements.
• Hfr (high-frequency recombination) štami: ja F-plazmīda integrējas baktērijas hromosomā, var rasties Hfr donors, kas spēj pārnest hromosomas segmentus uz recipiem, ļaujot hromosomālai rekombinācijai.

Konjugācija Gram-negatīvajās un Gram-pozitīvajās baktērijās

Konjugācijas pamatprincipi ir līdzīgi, taču īstenošanas mehānismi atšķiras:

• Gram-negatīvas baktērijas bieži izmanto labi izteiktus pili (piem., F-pilus) un tipa IV sekrēcijas sistēmas, kas veido kanālu starp šūnām.
• Gram-pozitīvās baktērijas parasti neveido tādus pili; tām raksturīga šūnu saskarne ar peptidoglikānu un bieži nepieciešama tieša šūnu kontaktēšana vai feromona inducētas agregācijas sistēmas (piem., Enterococcus), kas veicina DNA pārnesi.

Hfr, pārneses process un ģenētiskā karte

Hfr līnijas tika izmantotas klasiskiem ģenētikas pētījumiem, jo, pārtraucot pārošanos intervālā, var noteikt, kuri hromosomas gēni tika pārnesti agrāk un kuri vēlāk — tā tika konstruēta baktēriju hromosomu pārneses karte. Pilnīga hromosomas pārnešana ir reti — pirms tā parasti notiek donors un recipiens atdalās, tāpēc tikai hromosomas fragments pāriet un var integrēties recipienta genomā.

Ekoloģiskā un medicīniskā nozīme

Konjugācija ir galvenais mehānisms, kā baktērijas izplata antibiotiku rezistences gēnus savstarpēji un starp dažādām sugu grupām. Tas ir svarīgs iemesls klīniskās rezistences attīstībai un izplatībai slimnīcās un kopienās. Turklāt konjugācija ļauj baktērijām ātri pielāgoties jaunām vides vielām (piem., ksenobiotikām) un apgūt jaunas metabolisma ceļus, kas maina mikrobu ekosistēmu dinamiku.

Pētījumi un laboratorijas metodes

• Filter mating un šķidruma conjugation eksperimenti ļauj novērtēt pārneses efektivitāti starp donor- un recipienta līnijām.
• Izgriešanas/interrupt mating metodes izmanto, lai noteiktu gēnu secību, kas pārnestas no Hfr donora.
• Selektīvie marķieri (antibiotiku rezistence vai citas fenotipiskas iezīmes) tiek izmantoti, lai atlasītu transformantus un kvantificētu konjugācijas biežumu.
• Molekulārie paņēmieni (PCR, sekvencēšana, WGS) ļauj identificēt pārnestos elementus, to integrācijas vietas un sekvencēšanas variācijas.

Kontrole, profilakse un klīniskās pieejas

Sakarā ar to, ka konjugācija veicina rezistences gēnu izplatīšanos, svarīgi pasākumi ir:

• antibiotiku lietošanas samazināšana un atbildīga terapija (antibiotiku stewardšips);
• infekciju kontrole slimnīcās (rokas higiēna, izolācija, dezinficēšana);
• uzraudzība un molekulārā tipizācija, lai agrīni identificētu transmisijas notikumus un rezistento elementu izplatību;
• pētījumi par konjugāciju inhibējošām vielām, plazmīdu “cure” stratēģijām un alternatīvām terapijām (piem., fagoterapija), kas var samazināt horizontālo gēnu pārnesi.

Kopsavilkums

Baktēriju konjugācija ir spēcīgs un plaši izplatīts horizontālās gēnu pārneses ceļš, kas iesaista konjugatīvos elementus (plazmīdas, transpozoni, ICE). Tā veicina ātru adaptāciju un gēnu apmaiņu mikrobu populācijās, ietekmējot gan dabiskās, gan medicīniskās vides. Izpratne par konjugācijas mehānismiem palīdz attīstīt profilakses un kontroles stratēģijas, kas ir īpaši svarīgas cīņā pret antibiotiku rezistenci.

Mehānisms

Pamata konjugatīvā plazmīda ir F-plazmīda jeb F-faktors. F-plazmīda ir epizoma (plazmīda, kas var integrēties baktēriju hromosomā), kuras garums ir aptuveni 100 000 bāzes pāru.

Konkrētā baktērijā var būt tikai viena F-plazmīdas kopija, vai nu brīva, vai integrēta, un baktērijas, kurām ir viena kopija, sauc par F-pozitīvām vai F-plus (apzīmētas ar F ⁺). Šūnas, kurām nav F plazmīdas, sauc par F-negatīvām jeb F-mīnus (F ), ^-un tās var darboties kā recipienta šūnas.

Baktēriju konjugācijas shematisks zīmējums. Konjugācijas shēma 1 - donora šūna ražo pilusus. 2 - Piluss piestiprinās saņēmēja šūnai un savieno abas šūnas. 3- Mobilā plazmīda tiek pārgriezta, un tad viena DNS virkne tiek pārnesta uz recipienta šūnu. 4- Abas šūnas sintezē komplementāro virkni, lai izveidotu divvirpienu apļveida plazmīdu un arī pavairotu pilus; abas šūnas tagad ir dzīvotspējīgi donori.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir baktēriju konjugācija?

J: Kādi ir citi horizontālās gēnu pārneses mehānismi?

J: Kas atklāja baktēriju konjugāciju?

J: Ko Lederbergs un Tatums atklāja par Escherichia coli konjugācijas laikā?

J: Ko konjugācijas laikā nodrošina donoršūna?

J: Kādas ir konjugācijas laikā nodotās ģenētiskās informācijas priekšrocības?

J: Kā var aplūkot dažus konjugācijas laikā nodotos elementus?

Meklēt pēc burta