معلومة

17: علم الوراثة الميكروبية - علم الأحياء


دعونا نتحدث عن الجنس. الجنس البكتيري. ها! سيكون ذلك صعبًا ، لأن البكتيريا لا تمارس الجنس. وهو ما يمثل مشكلة حقيقية للبكتيريا (والعتائق أيضًا) - كيف يحصلون على التباين الجيني الذي يحتاجون إليه؟ قد يحتاجون إلى جين جديد لتحطيم مصدر مغذٍ غير عادي أو تحطيم مضاد حيوي يهدد بتدميرهم - اكتساب الجين قد يعني الفرق بين الحياة والموت. لكن من أين ستأتي هذه الجينات؟ كيف يمكن للبكتيريا الحصول عليها؟ سنستكشف العمليات التي تستخدمها البكتيريا لاكتساب جينات جديدة ، الآليات المعروفة باسم نقل الجينات الأفقي (HGT).

اقتران

اقتران هي العملية التي يتم من خلالها أ جهات مانحة تنقل البكتيريا نسخة من البلازميد إلى أ متلقي البكتيريا ، من خلال أ بيلوس. تتطلب العملية الاتصال من خلية إلى أخرى. خلية المتبرع (F +) لديه البلازميد المترافق، قطعة خارج الصبغية من dsDNA ترمز للبروتينات اللازمة لصنع خيوط شبيهة بالخيوط تعرف باسم بيلوس. يستخدم بيلوس لربط المتلقي (F-) ، مما يجعلها قريبة جدًا من خلية المتبرع. يُعتقد أنه يتم بعد ذلك فتح قناة بين الخليتين ، مما يسمح لنسخة ssDNA من البلازميد بالدخول إلى الخلايا المتلقية. تقوم كلتا الخليتين بعد ذلك بعمل النسخة التكميلية إلى ssDNA ، مما ينتج عنه خليتان F + قادران على الاقتران.

اقتران. بواسطة Adenosine (عمل خاص) [CC BY-SA 3.0] ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

تحويل

عملية تحويل يسمح أيضًا للخلية البكتيرية باكتساب جينات جديدة ، ولكنها لا تتطلب اتصال خلية إلى خلية. في هذه العملية يتم الحصول على الجينات الجديدة مباشرة من البيئة. عادةً ما تتطلب العملية خلية مانحة يتم فصلها وإطلاقها في مرحلة ما عارية الحمض النووي على البيئة. الخلية المتلقية هي خلية قادرة على أخذ الحمض النووي من البيئة ودمجه في الجينوم الخاص بها ، حيث توصف الخلية بأنها مختص.

توجد وسائل ميكانيكية وكيميائية لتشجيع الخلية على التقاط الحمض النووي من البيئة ، ولكن الكفاءة الطبيعية تحدد وراثيًا. تحدث العملية عادةً في نهاية المرحلة الأسية من النمو أو بداية المرحلة الثابتة ، في وجود كثافة خلايا عالية ومغذيات محدودة. في ظل هذه الظروف ، يتم تصنيع بروتينات معينة بما في ذلك بروتينات ربط الحمض النووي (ترانسالوكاز الحمض النووي), نوكلياز، وبروتينات القناة عبر الغشاء. تصنع الخلايا السالبة الجرام أيضًا جدارًا خلويًا أوتوليسينلنقل الحمض النووي عبر الغشاء الخارجي.

اكتساب الجينات عن طريق التحول.

ترتبط القطع العشوائية من الحمض النووي بالمستقبلات الموجودة على السطح الخارجي للخلية ثم يتم نقلها إلى الخلية عن طريق ترانسيلوكاز الحمض النووي ، عبر قناة الغشاء ، وهي بنية كبيرة غالبًا ما تشتمل على العديد من البروتينات المختلفة. يمكن استخدام نوكلياز داخلي لتحطيم خيط واحد من dsDNA ، إذا كان يمكن لـ ssDNA فقط أن ينتقل إلى الخلية ، أو لشق جزء DNA إلى أحجام أصغر. وبمجرد دخول الخلية ، يجب دمج الحمض النووي في الكروموسوم البكتيري عن طريق ريكا (ارى إعادة التركيب الجزيئي أدناه) ، للتعبير عن الجينات.

التوضيح

التوضيح يتضمن استخدام الفيروس ، العاثية ، للعمل كقناة لنقل جينات البكتيريا من خلية إلى أخرى ، مما يلغي ضرورة الاتصال من خلية إلى أخرى. هناك نوعان مختلفان من التنبيغ: التنبيغ المعمم و توصيل متخصص.

التنبيغ المعمم

في التنبيغ المعمم ، تصاب الخلية المضيفة البكتيرية إما بعاثمة خبيثة أو معتدلة تشارك في الدورة اللايتية للتكاثر. بعد الخطوات الثلاث الأولى للنسخ المتماثل (الامتصاص ، الاختراق ، التوليف) ، يدخل الفيروس في مرحلة التجميع ، والتي يتم خلالها صنع فيريونات مكتملة التكوين. خلال هذه المرحلة ، يتم حزم قطع عشوائية من الحمض النووي البكتيري عن طريق الخطأ في رأس الملتهمة ، مما يؤدي إلى إنتاج تحويل الجسيمات. في حين أن هذه الجسيمات غير قادرة على إصابة الخلية بالمعنى التقليدي ، يمكنها الارتباط بخلية مضيفة بكتيرية جديدة وحقن الحمض النووي بداخلها. إذا تم دمج الحمض النووي (من أول خلية مضيفة بكتيرية) في كروموسوم المتلقي ، فيمكن التعبير عن الجينات.

التنبيغ المعمم.

النقل المتخصص

لا يمكن أن يحدث التنبيغ المتخصص إلا مع العاثيات المعتدلة ، لأنه يتضمن الدورة اللايسوجينية للتكرار. تلتصق العاثية بشكل عشوائي بالخلية المضيفة البكتيرية ، وتحقن الحمض النووي الفيروسي بداخلها. يندمج الحمض النووي في كروموسوم الخلية المضيفة ، مكونًا نفاثًا. في مرحلة ما يحدث الاستقراء ، حيث يتم استئصال النبذ ​​من الكروموسوم البكتيري. في النقل المتخصص ، يتم إجراء الاستئصال بشكل غير صحيح ويتم أيضًا استئصال جزء من الجينات البكتيرية المجاورة مباشرة للجينات الفيروسية. نظرًا لاستخدام هذا الحمض النووي كقالب لمرحلة التوليف ، ستكون جميع النسخ مزيجًا من الحمض النووي الفيروسي والبكتيري ، وستحتوي جميع الفيروسات الناتجة على الحمض النووي الفيروسي والبكتيري.

بمجرد أن يتم تحليل الخلية ، يتم إطلاق الفيروسات لإصابة الخلايا المضيفة البكتيرية الأخرى. ستلتصق كل فيريون بالخلية المضيفة وتحقن في هجين الحمض النووي ، والذي يمكن دمجه في كروموسوم المضيف ، إذا تم تكوين نفاثة. في هذه المرحلة ، يمكن أن تحتوي الخلية المضيفة البكتيرية الثانية على الحمض النووي الخاص بها ، والحمض النووي من الخلية البكتيرية المضيفة السابقة ، والحمض النووي الفيروسي.

إعادة التركيب الجزيئي

في كل حالة من حالات HGT ، تكون العملية ناجحة فقط إذا كان من الممكن التعبير عن الجينات بواسطة الخلية المعدلة. في الاقتران ، توجد الجينات على البلازميد ، تحت سيطرة المروجين على البلازميد. في التحول والتحول ، حيث يكتسب الحمض النووي العاري حق الوصول إلى الخلية ، يمكن بسهولة تكسير الحمض النووي بواسطة الخلية دون حدوث تعبير جيني. من أجل التعبير عن الجينات ، يجب أن يتم التعبير عن الحمض النووي معاد مع كروموسوم المستلم.

الآلية الأكثر شيوعًا لإعادة التركيب الجزيئي هي إعادة التركيب المتماثل، بما في ذلك بروتين RecA. في هذه العملية ، يتم إقران الحمض النووي من مصدرين ، بناءً على تسلسل نيوكليوتيدات مماثل في منطقة واحدة. يقوم نوكلياز داخلي بتقطيع خيط واحد ، مما يسمح لـ RecA بإقران القواعد من خيوط مختلفة ، وهي عملية تُعرف باسم غزو الخيوط. يتم حل التقاطع بين جزيئات الحمض النووي باستخدام حل ، الذي يقطع الحمض النووي ويعيد ضمه إلى جزيئين منفصلين من dsDNA.

يمكن أن يحدث إعادة التركيب أيضًا باستخدام إعادة التركيب الخاصة بالموقع، وهي عملية تستخدمها الفيروسات غالبًا لإدخال جينومها في كروموسوم مضيفها. يتم استخدام هذا النوع من إعادة التركيب أيضًا بواسطة العناصر القابلة للنقل (انظر القسم التالي).

العناصر القابلة للتحويل

أخيرًا ، يجب ألا نترك موضوع علم الوراثة الميكروبي دون استكشاف دوره على الأقل العناصر القابلة للتحويل أو "الجينات القافزة". في حين أن هذه يمكن أن تلعب دورًا كبيرًا جدًا في تنشيط وتعطيل الجينات البكتيرية ، فإن أفضل تفسير مستمد من عمل باربرا مكلينتوك في الذرة ، التي فازت بجائزة نوبل لأبحاثها في عام 1983. وأوضحت أن العناصر القابلة للنقل يمكن أن تكون مسؤولة عن تنشيط أو تعطيل الجينات داخل الكائن الحي.

العناصر القابلة للتحويل بسيطة نسبيًا في التركيب ، وهي مصممة للانتقال من موقع إلى آخر داخل جزيء DNA من خلال عملية تعرف باسم التحويل. جميع العناصر القابلة للتحويل ترمز للإنزيم ينقل ، الإنزيم المسؤول عن السماح بالحدوث ، ويكون قصيرًا التكرارات المقلوبة (IRs) في كل نهاية.

التحويل.

أبسط عنصر قابل للتبديل هو ملف تسلسل الإدراج (IS)، الذي يحتوي على ترانسبوزيز و IRs بأطوال متفاوتة. أ ناقل صغير جدايحتوي عادةً على جينات إضافية ، مع اختلاف النوع الدقيق بشكل كبير من الينقولات إلى الينقولات. يمكن إزالة الينقولات من مكان ونقلها إلى مكان آخر (نموذج القص واللصق) ، وهي عملية تُعرف باسم التحول المحافظ. بدلاً من ذلك ، يمكن نسخها ، مع إدخال النسخة في موقع ثانٍ ، في عملية تُعرف باسم التحويل التكراري.

الكلمات الدالة

نقل الجينات الأفقي (HGT) ، الاقتران ، المتبرع ، المستلم ، البلازميد المقترن ، F- ، F ، التحويل ، الحمض النووي العاري ، الكفاءة ، الخلية المختصة ، ترانسيلوكاز الحمض النووي ، نوكلياز ، أوتوليسين ، RecA ، توصيل ، تحويل معمم ، جسيم تحويل ، تحويل متخصص ، إعادة التركيب الجزيئي ، إعادة التركيب المتماثل ، resolvase ، إعادة التركيب الخاص بالموقع ، العناصر القابلة للنقل ، التحويل ، التحويل ، التكرارات المقلوبة (IR) ، تسلسل الإدراج (IS) ، الترانسبوزون ، التحويل المحافظ ، التحويل التكراري.

أسئلة / أهداف أساسية

  1. ما هو نقل الجينات الأفقي؟ ما هي الآليات الثلاث لحدوث هذا في البكتيريا؟
  2. ما هي المكونات اللازمة لعمليات التحويل ، والاقتران ، والتنبيغ؟ كيف تحدث كل عملية؟ ما الجينات التي تشارك في كل عملية؟
  3. كيف يختلف التنبيغ المعمم والمتخصص؟ ما هي النتيجة النهائية لكل منهما؟
  4. ما هو إعادة التركيب؟ ما هي أهمية البكتيريا والعتائق؟
  5. ما هما نوعان من إعادة التركيب؟ ما هي تفاصيل كل نوع؟ ما المكونات المطلوبة لكل نوع؟
  6. ما هو التحويل؟ ما هو المطلوب للعملية؟ ما هو العنصر القابل للنقل؟

أسئلة استكشافية (اختياري)

  1. كيف يمكن استخدام الينقولات في دراسة الجينات البكتيرية؟

يوفر جينوم الذرة W22 أساسًا لعلم الجينوم الوظيفي وبيولوجيا الترانسبوزون

عملت سلالة الذرة W22 الفطرية كمنصة لعلم وراثة الذرة منذ منتصف القرن العشرين. لتبسيط تحليلات جينوم الذرة ، قمنا بترتيب وتجميع دي نوفو لجينوم مرجعي W22 باستخدام تقنيات تسلسل القراءة القصيرة. لقد أظهرنا وجود تباين هيكلي كبير بالمقارنة مع الجينوم المرجعي B73 على مستويات متعددة ، من تكوين الينقولات وتغير رقم النسخ إلى تعدد الأشكال أحادي النوكليوتيدات. يتيح إنشاء هذا الجينوم المرجعي وضعًا دقيقًا لآلاف من عناصر التحوير (Mu) والتفكك (Ds) لدراسات الوراثة العكسية والأمامية. تم تحقيق شرح الجينوم باستخدام تحليل RNA-seq ، وتوصيف حساسية النيوكلياز التفاضلي وتسلسل بيسلفيت لرسم خريطة لإطارات القراءة المفتوحة ، ومواقع الكروماتين المفتوحة ، وملفات تعريف مثيلة الحمض النووي ، على التوالي. بشكل جماعي ، تدمج الموارد التي تم تطويرها هنا W22 باعتباره جينومًا مرجعيًا مجتمعيًا لعلم الجينوم الوظيفي ويوفر أساسًا لعموم جينوم الذرة.


التطور الميكروبي في بيئة بسيطة غير منظمة: التمايز الجيني في الإشريكية القولونية

سكان Escherichia coli الذين بدأوا باستنساخ واحد واستمروا لفترات طويلة في ثقافة مستمرة محدودة الجلوكوز ، أصبحوا متعددي الأشكال. في مجموعة سكانية واحدة ، تم عزل ثلاثة مستنسخات وبواسطة تجارب إعادة الإعمار أظهرت الحفاظ عليها في تعدد أشكال مستقر ، على الرغم من أنها أظهرت اختلافات جوهرية في معدلات النمو المحددة القصوى وفي حركية امتصاص الجلوكوز. كشف تحليل هذه الحيوانات المستنسخة الثلاثة أن تعايشها المستقر يمكن تفسيره من خلال الأنماط التفاضلية لإفراز وامتصاص مستقلبين بديلين أسيتات وغليسيرول. الطفرات التنظيمية (التأسيسية والعديمة) في أنزيم الأسيتيل A synthetase تمثل أنماطًا مختلفة من إفراز الأسيتات وامتصاصها. من المرجح أن يتم تفسير الأنماط المتغيرة في امتصاص الجلسرين من خلال الطفرات التي تؤدي إلى اختلافات كمية في تحريض منظم الجلسرين و / أو التغيرات الهيكلية في كيناز الجلسرين التي تقلل التثبيط الخيفي بواسطة جزيئات المستجيب المرتبطة بتحلل السكر. قد يوضح تطور تقسيم الموارد ، وما يترتب على ذلك من تعدد الأشكال التي تنشأ العمليات الأولية لانتواع الكائنات الحية اللاجنسية.


ملخص المؤلف

يمكن أن يُعزى التباين بين الأفراد في تكوين الجراثيم المعوية جزئيًا إلى الجينات المضيفة. ومع ذلك ، فإن الجينات المحددة والمتغيرات الجينية الكامنة وراء الاختلافات في الكائنات الحية الدقيقة لا تزال غير معروفة إلى حد كبير. لمعالجة هذا الأمر ، قمنا بتحديد لمحة عن تركيبة الجراثيم البرازية لـ 400 فأر متميز وراثيًا ، والتي تتوفر عنها بيانات النمط الجيني. حددنا العديد من مواقع جينوم الفأر المرتبطة بالتغيرات في وفرة الأصناف البكتيرية. يرتبط أحد هذه المواقع أيضًا بالتغيرات في وفرة الأحماض الصفراوية في البلازما - المستقلبات التي يولدها المضيف والتي تؤثر على كل من تكوين الكائنات الحية الدقيقة وفسيولوجيا المضيف. توفر تجارب التحقق من صحة المتابعة رؤى آلية تربط الاختلافات الجينية للمضيف ، مع التغيرات في التعبير الجيني اللفائفي ، وتفاعلات حمض الصفراء والبكتيريا وتوازن حمض الصفراء. يوضح هذا العمل معًا كيف يمكن استخدام الأساليب الجينية لتوليد فرضية قابلة للاختبار للحصول على نظرة ثاقبة جديدة حول كيفية تشكيل الجينات المضيفة لتكوين الكائنات الحية الدقيقة في الأمعاء.

الاقتباس: Kemis JH و Linke V و Barrett KL و Boehm FJ و Traeger LL و Keller MP et al. (2019) المحددات الجينية لتكوين ميكروبيوتا الأمعاء وملامح حمض الصفراء في الفئران. بلوس جينيه 15 (8): e1008073. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008073

محرر: سيسكا ويجمينجا ، UMC جرونينجن ، هولندا

تم الاستلام: 4 مارس 2019 وافقت: 14 يونيو 2019 نشرت: 29 أغسطس 2019

حقوق النشر: © 2019 Kemis et al. هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution License ، والذي يسمح بالاستخدام غير المقيد والتوزيع والاستنساخ في أي وسيط ، بشرط ذكر المؤلف والمصدر الأصليين.

توافر البيانات: البيانات الواردة في هذه الورقة يمكن الوصول إليها في NCBI Short Read Archive (SRP) تحت معرف الانضمام PRJNA492330. تتوفر ملفات بيانات قياس الطيف الكتلي على رقم دخول Chorusproject.org: معرف المشروع 1568.

التمويل: تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (NIH) منح DK108259 (FER) ، DK101573 (ADA) ، GM070683 (KWB و GAC) ، المعهد الوطني للصحة للحساسية والأمراض المعدية منح T32AI55397 (JHK) ، حساب NLM والمعلوماتية في زمالة ما بعد الدكتوراه في علم الأحياء والطب 5T15LM007359 (LLT) ، والمعهد الوطني للصحة الوطنية للعلوم الطبية العامة T32GM008349 (KLB) ، وجائزة التميز لشبكات عبر الأطلسي من مؤسسة Leducq. لم يكن للممولين دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات وتحليلها أو اتخاذ قرار النشر أو إعداد المخطوطة.

تضارب المصالح: وقد أعلن الباحثون إلى أن لا المصالح المتنافسة موجودة.


تحرير الجينوم المستهدف للبكتيريا داخل المجتمعات الميكروبية

تأتي معرفة وظائف الجينات الميكروبية من معالجة الحمض النووي للأنواع الفردية بمعزل عن مجتمعاتها الطبيعية. في حين أن هذا النهج في علم الوراثة الميكروبي كان أساسيًا ، فإن مطلبه للكائنات الدقيقة القابلة للزراعة قد ترك غالبية الميكروبات وتفاعلاتها غير مستكشفة وراثيًا. نحن هنا نصف منهجية قابلة للتعميم لتحرير جينومات كائنات معينة داخل مجتمع ميكروبي معقد. أولاً ، حددنا البكتيريا التي يمكن تتبعها وراثيًا داخل المجتمع باستخدام نهج جديد ، تسلسل التحول البيئي (ET-Seq) ، حيث تم تعيين تكامل الترانسبوزون غير المستهدف وتحديد كميته بعد التسليم المجتمعي. تم تكرار ET-Seq مع استراتيجيات توصيل متعددة لكل من مجتمع البكتيريا الاصطناعية المكون من تسعة أعضاء ومجتمع المعالجة الحيوية الميكروبية المكون من 200 عضو. لقد حققنا عمليات إدخال في 10 أنواع لم يتم عزلها مسبقًا وتحديد الكفاءة الطبيعية لتكامل الحمض النووي الأجنبي الذي يعتمد على وجود المجتمع. ثانيًا ، قمنا بتطوير واستخدام أنظمة CRISPR-Cas Transposase (DART) لتعديل الحمض النووي الكل في واحد الموجه من الحمض النووي الريبي لإدخال الحمض النووي المستهدف في الكائنات الحية التي تم تحديدها على أنها قابلة للتتبع بواسطة ET-Seq ، مما يتيح التلاعب الجيني الخاص بالكائن والموضع داخل سياق المجتمع. توضح هذه النتائج استراتيجية لتحرير الجينوم المستهدف لكائنات معينة داخل المجتمعات الميكروبية ، وإنشاء نموذج جديد للتلاعب الميكروبي ذي الصلة بالبحث والتطبيقات في الميكروبات البشرية والبيئية والصناعية.


شاهد الفيديو: علم الوراثة. الوراثة السايتوبلازمية. محاضرة رقم 26مداخل هذا العام 2020 (كانون الثاني 2022).