معلومة

نقل الجينات الأفقي من البشر


من المعروف أن بعض الفيروسات تترسخ في الجينوم البشري. هل توجد آلية يمكن من خلالها نقل الجينات البشرية إلى حيوانات أو نباتات أخرى عن طريق الفيروسات التي تنقلها من البشر إلى الكائنات الحية الأخرى؟


نعم ، يمكن أن يحدث نقل الجينات الأفقي (HGT) في كلا الاتجاهين ، من بدائيات النوى إلى حقيقيات النوى والعكس صحيح. يتم إعطاء اهتمام أقل بكثير من حقيقيات النوى إلى بدائيات النوى HGT. لقد لعبت دورًا مهمًا جدًا في تطور حقيقيات النواة أيضًا. يوضح الشكل التالي من (Patrick and Palmer 2008) بعض الحالات المحتملة في نسالة حقيقية النواة.

يمكنك العثور على العديد من هذه الأمثلة من المرجع أعلاه. بالنسبة إلى الجزء البشري ، هناك حالات قليلة مثل From Humans to Plasmodium vivax and From human to Neisseria gonorrhoeae ، حيث أظهر الباحثون أدلة على HGT من البشر إلى بدائيات النوى. لسوء الحظ ، هناك القليل جدًا من الآليات التي يتم من خلالها التحويل. إنها مسألة تكهنات في الوقت الحالي لأن هذه الدراسات مثيرة للجدل.


كتاب تمهيدي حول ومحادثة حول علم الأحياء وتطور SARS-CoV-2 ، الفيروس الذي يسبب Covid-19

تمت كتابة العديد من الكلمات (أو على الأقل كتابتها) حول فيروس كورونا SARS-CoV-2 ، الفيروس المسبب لـ Covid-19. ومع ذلك ، فبقدر ما سيطرت قصتها على دورات الأخبار وتغيرت حياتنا كلها ، لا يُقال سوى القليل جدًا عن بيولوجيتها وتطورها على وجه التحديد. يعد الفيروس مثالاً على العواقب الواقعية وديناميكيات التطور السريع. تطورت ، من جديد ، في الصين وانتشرت من دولة إلى أخرى ، وغيرت العالم كما فعلت. لديها قوة أكبر بكثير من حجمها ، قوة أكثر منطقية في ضوء علم الأحياء التطوري.

لتوفير سياق أكثر قليلاً للمناقشات الحالية حول عواقب فيروس SARS-CoV-2 ، جلس أستاذ البيئة التطبيقية Rob Dunn (RRD) مع Tom Gilbert (TG) من مركز Hologenomics التطوري ، Katia Koelle (KK) من جامعة إيموري ، جولي كاساني (JC) ، مات كوشي (MK) ، وديفيد راسموسن (DR) من ولاية نورث كارولاينا ، وسيرجيوس أوريستيس كولوكوترونيس (SOK) من جامعة ولاية نيويورك للتحدث عن الفيروس. أو بالأحرى جلس معهم ، فعليًا ، يمارس ممارسات التباعد الجسدي الجيدة.

تعكس المحادثة التالية سلسلة من رسائل البريد الإلكتروني ذهابًا وإيابًا بين المشاركين ردًا على أسئلة روب. بفضل Olivia Sanchez Dunn للمساعدة في تحرير النص من أجل الوضوح.

مصطلحات جريئة ومائلة تم تضمينها في المسرد في نهاية المقالة.


مقدمة

ينتشر نقل الجينات الأفقي (HGT) للجينات المقاومة للمضادات الحيوية وعوامل الفوعة والسموم والجينات المشاركة في الاستجابة للتوتر والتمثيل الغذائي بين بدائيات النوى ، وخاصة البكتيريا 1. ينتشر HGT بشكل أكبر في الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالإنسان 2،3،4 بسبب القرب المادي القريب وزيادة الاتصال من خلية إلى خلية داخل جسم الإنسان (مثل تكوين الأغشية الحيوية في تجويف الفم والجهاز الهضمي). يمكن للبنية النشوء والتطور للمجتمعات الميكروبية أن تزيد من احتمالية HGT 5 حيث من المتوقع أن تستعمر الكائنات الحية الدقيقة ذات الصلة الوثيقة التي تشترك في موبيليات متشابهة 6 موائل مماثلة. يوفر القرب فرصًا للتبادل الجيني الذي يحدث عبر آليات نقل الجينات بوساطة البلازميد (الاقتران) والعاثية (التحويل) وامتصاص الحمض النووي الخارجي (التحول) من البيئة. كيف تحدث عمليات نقل الجينات قصيرة المدى (أي HGTs داخل موقع الجسم) وطويلة المدى (أي HGTs بين مواقع الجسم) داخل جسم الإنسان في سياق البنية البيئية والزمانية والمكانية والتطور الجينية للمجتمعات الميكروبية. أسئلة لفهم كيف تنشئ الجراثيم البشرية شبكات كيميائية حيوية وجينية مسؤولة عن الحفاظ على فسيولوجيا المضيف وصحته 2.

لا يزال الاكتشاف الدقيق وتصنيف الأحداث HGT القديمة والحديثة يمثل تحديًا حسابيًا ومفاهيميًا كبيرًا. تاريخيًا ، تم استخدام تشابه التسلسل والإحصاءات القائمة على التكوين مثل محتوى GC وتردد قليل النوكليوتيد وتحيزات استخدام الكودون 9،10،11 للتمييز بين التطور الأفقي والعمودي. ومع ذلك ، فإن الطرق القائمة على التركيب تعمل بشكل سيئ بالنسبة لعمليات نقل الجينات القديمة 12 ، 13 وتميل إلى إعطاء نتائج متناقضة عند تغيير الأساليب 14. على سبيل المثال ، نفذت دراسة حديثة طريقة قائمة على BLAST لاكتشاف مناطق النوكليوتيدات المتشابهة للغاية (& gt99٪ هوية في كتل من & gt500 bp) عبر الجينومات ذات الصلة البعيدة (& lt97٪ 16S ribosomal RNA تشابه) كدليل على HGT 2. اكتشف المؤلفون أن عمليات نقل الجينات طويلة المدى حدثت بشكل متكرر داخل جسم الإنسان أكثر من جينومات البيئات المرتبطة بالبشر وغير البشرية ، مما يشير إلى أن البيئة كانت الدافع الرئيسي وراء زيادة HGT 2. على الرغم من أن طريقتهم كانت قوية ، إلا أنها اقتصرت على اكتشاف أحداث HGT الأخيرة حيث يتلاشى تشابه التسلسل القابل للاكتشاف الإحصائي خلال الوقت التطوري 15. لاكتشاف أحداث HGT القديمة بشكل أفضل عبر الأنواع بدائية النواة المتنوعة ، يمكن للنهج المستندة إلى نسالة إعادة بناء شجرة الأنواع الجينية والمصالحة أن توفر دقة أعمق 16.

هنا ، أجرينا & gt80.000 إعادة بناء وتصالح لشجرة النشوء والتطور الجين والأنواع لاكتشاف أحداث HGT "المرشحة" في 1059 جينومًا مرجعيًا بدائية النواة متسلسلة من ستة مواقع رئيسية للجسم للبالغين "الأصحاء" تم أخذ عينات من مشروع NIH Human Microbiome (HMP) 17 ، 18،19. استخدمنا نسخة معدلة من HGTree خط أنابيب ، وهي طريقة للكشف عن HGT قائمة على الأنساب تم تطويرها مسبقًا بواسطة Jeong وآخرون. 16 . HGTree يعتمد على طريقة تطورية صريحة تنفذ مزيجًا من البخل 20 ، والانضمام إلى الجيران 21 ، والاحتمال الأقصى (ML) 22 نهجًا لإعادة بناء ومقارنة طوبولوجيا أشجار الجينات مقابل 16S ريبوسوم RNA (rRNA) الأنواع (مرجع) الأشجار (الشكل . 1). يتم تقييم عمليات التوفيق بين شجرة الأنواع الجينية في إطار إطار البخل 20 حيث يتم تخصيص تكلفة لكل من الأحداث الأربعة المحتملة التي تصف تطور عائلة الجينات (أي الانتواع ، والازدواجية ، والتحويل الأفقي ، والخسارة). الهدف هو العثور على مصالحة شجرة الأنواع الجينية الأكثر شحًا والتي تقلل التكلفة الإجمالية وتحديد العقد التي تم تصنيفها بواسطة عمليات النقل على أشجار الجينات (انظر الطرق) 20. يتم تخزين أحداث HGT "المرشحة" المكتشفة جنبًا إلى جنب مع تعيينات جينومات المتبرع والمتلقي في الإنترنت HGTree قاعدة البيانات (الشكل 1). ال HGTree قاعدة البيانات (متوفرة على http://hgtree.snu.ac.kr/) وبالتالي توفر وصولاً سريعًا إلى أحداث HGT المحسوبة مسبقًا في 2472 جينومًا من الأنواع بدائية النواة المعزولة من الموائل الطبيعية المتنوعة (فيما يلي ، HGTree الجينومات، الجدول التكميلي S1) ويمكن تطبيقها بسهولة على مجموعات البيانات الجينومية التي يوفرها المستخدم (على سبيل المثال جينومات HMP، الجدول التكميلي S2).

سير عمل الكشف عن HGT. من بين مجموعة كبيرة من الجينومات المتسلسلة بالكامل المتاحة ، يتم تصفية الجينومات غير الزائدة عن الحاجة واختيارها لتحليل المصب. يتم بعد ذلك إعادة بناء مجموعات الجينات المتعامدة المفترضة وأشجار الأنواع المرجعية المقابلة بناءً على معايير مختلفة (على سبيل المثال ، NJ ، ML ، والنهج الأخرى 16). تسمى مجموعات الجينات أخصائيي تقويم العظام "المفترضين" حيث يخضعون لاختبارات لاحقة لمشاركة HGT. يتم تقييم كل زوج شجرة من الأنواع الجينية من حيث التناقض الطوبولوجي (انظر المنطقة المظللة الداكنة في الأشجار). يمكن أن تنشأ تعارضات الأشجار من أي من أحداث تطور عائلة الجينات التالية: (1) التكرار ، (2) HGT ، و (3) ، فقدان الجين ، المعروف باسم مشكلة الازدواج-نقل-الخسارة (DTL). من بين أكثر المصالحة شحًا (من حيث التكلفة الإجمالية لأحداث تطور عائلة الجينات) 20 ، يتم تخزين النزاعات الناشئة عن النقل لمزيد من التحليل.

تنفيذ نسخة معدلة قليلاً من خط أنابيب HGTree إلى جينومات HMP (انظر الطرق) ، لاحظنا أن نشاط HGT زاد بشكل ملحوظ لكل جين تم تبادله أفقيًا بواسطة جينومات HMP على صلة قربى ب HGTree الجينومات وأن أكثر من نصف إجمالي الجينات في جينومات HMP تم نقلها (تم التبرع بها أو استلامها) بواسطة HGT. وجدنا أن ما يقرب من 40 ٪ من إجمالي أحداث HGT المكتشفة وقعت بين الكائنات الحية الدقيقة التي تشترك في نفس المكانة أو موقع الجسم (أي بسبب التشابه البيئي والقرب المادي) وأن نشاط HGT تأثر بشدة بالتنوع التطوري للنظام البيئي. أحداث HGT المتبقية (

60٪) أشاروا إما إلى نقل الحمض النووي من موقع إلى آخر من خلال آليات غير مفهومة حتى الآن أو استعمار جرثومي سابق لجسم الإنسان. حددنا أيضًا العديد من الجينات الأساسية التي تمت مشاركتها على نطاق واسع بواسطة الكائنات الحية الدقيقة وقمنا بتقييم حساسية HGT (الميل للمشاركة في HGT). اكتشفنا أن العديد من علامات النشوء والتطور المعروفة (مثل بروتينات الريبوسوم وعوامل النسخ) كانت شديدة الحساسية تجاه HGT التي تشكك في استخدامها الواسع في السلالات القائمة على التسلسل. أخيرًا ، نسلط الضوء على العديد من التحديات في التنفيذ الواسع النطاق لطرق الكشف عن HGT المستندة إلى نسالة ونقترح عدة استراتيجيات لتحسين فائدتها في مجموعات بيانات الميكروبيوم و (meta)-genome الناشئة باستمرار.


التأثير المباشر لعمليات النقل التي تحدث في الميكروبات البشرية

يعيش البشر ، مثل الحيوانات الأخرى ، في تفاعل وثيق مع عدد كبير من الكائنات الحية الدقيقة (البكتيريا والعتيقات بشكل أساسي) التي تشكل الميكروبات المختلفة المرتبطة بالأعضاء والأنظمة المختلفة (الأمعاء ، الجلد ، الأعضاء التناسلية ، إلخ). توفر هذه الارتباطات بين بعض الميكروبات والبشر حماية فعالة ضد الميكروبات المسببة للأمراض الأخرى ، ويمكن أن تتعاون ، كما في حالة ميكروبيوم الأمعاء ، في معالجة الطعام من خلال الأمعاء. في السنوات الأخيرة ، أظهرت دراسات مختلفة أيضًا أن التغيرات في ميكروبيوم الأمعاء يمكن أن تترافق مع أمراض تنكسية عصبية مهمة [22 ، 23].

الميكروبيومات هي مجتمعات من الكائنات الحية حيث يمكن تسهيل نقل الجينات بين بدائيات النوى المختلفة من خلال مشاركة الموائل [24 ، 25]. علاوة على ذلك ، في ظل حالة إجهاد المضيف ، يمكن للعوامل الفيزيائية والكيميائية أن تعزز تبادل المواد الجينية بآليات مختلفة ، ولا سيما في القناة الهضمية البشرية حيث توفر التغيرات في الأس الهيدروجيني والضغوط الميكانيكية والهيدروستاتيكية فرصًا تفضل انهيار سلامة الخلية [26 ، 27]. تدعم هذه الفكرة دراسات الجينوم التي تظهر أن الميكروبات البشرية والحيوانية هي نقاط ساخنة لـ HGT التي بدأنا للتو في معرفة نتائجها [25 ، 28 ، 29].

في هذا الصدد ، يمكن أن يكون لنقل الجينات بين البكتيريا أو العتائق المقيمة في ميكروبيوم معين أو بينها وبين الكائنات الحية الدقيقة العرضية (مثل البكتيريا المبتلعة المرتبطة بالأطعمة في ميكروبيوم الأمعاء) عواقب على المضيف. بالمقابل ، يمكن أن يكون لنمط حياة المضيف عواقب على الميكروبيومات المصاحبة لتغيير تركيبها أو السماح بتبادل الجينات بين الكائنات الحية الدقيقة المقيمة والعرضية [26 ، 27 ، 30] (الشكل 2).

وخير مثال على ذلك هو اكتساب الجينات من البكتيريا البحرية التي تسمح بعملية التمثيل الغذائي للبورفيان والسكريات الأخرى الموجودة في الأعشاب البحرية بواسطة البكتيريا الموجودة في ميكروبيوم الأمعاء لدى اليابانيين. اكتساب البورفيراينز والأجاراز والجينات ذات الصلة عن طريق Bacteroides بليبيوس، وهي بكتيريا موجودة في ميكروبيوم أمعاء بعض الأفراد اليابانيين من بكتيريا بحرية عرضية تم توثيقها [31]. تسمح الجينات المكتسبة بهضم الكربوهيدرات الموجودة في الأعشاب البحرية التي تشكل جزءًا مهمًا من النظام الغذائي اليومي لهذه المجموعة البشرية. مؤخرًا ، ماتيو وآخرون. [32] افترض الاكتساب القديم للألجينات (عديد السكاريد الرئيسي في جدار خلية الطحالب البنية) جينات التمثيل الغذائي القادمة من البحرية الجراثيم بواسطة بكتيريا ميكروبيوم الأمعاء البشرية. على الرغم من أن الاستحواذ في هذه الحالة لا يقتصر على اليابانيين ، يشير المؤلفون إلى سيناريو مماثل للاستحواذ عن طريق استهلاك الطحالب البحرية المرتبطة بالبكتيريا البحرية العرضية.

تؤكد هذه الأمثلة على التأثير المحتمل للنظام الغذائي كمصدر للميكروبات العرضية في صحة الإنسان وعلم وظائف الأعضاء. البروبيوتيك والجبن ومنتجات الألبان الأخرى غنية بالكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تشارك في عمليات التبادل الجيني مع الكائنات الحية المقيمة في ميكروبيوم الأمعاء [26]. وبهذا المعنى ، فإن حقيقة أن صناعة الجبن والألبان هي نقاط ساخنة للتبادل الجيني [33] تسلط الضوء على التأثير المحتمل للأطعمة في ميكروبيوم الأمعاء البشرية.

أحد العوامل المهمة التي يجب مراعاتها هو إمكانية أن الميكروبات المسببة للأمراض يمكن أن تتبادل الجينات المتعلقة بالإمراضية مع المكونات المقيمة للميكروبات البشرية التي كانت غير ضارة في السابق. على الرغم من في المختبر تم توثيق النقل الأفقي لمحددات الإمراضية [34] ودوره في تطور البكتيريا الممرضة التي تسكن الأمعاء البشرية ، مثل هيليكوباكتر بيلوري، [35 ، 36] ، على حد علمنا ، ليست حالة واحدة واضحة فى الموقع تم الإبلاغ عن التحول من البكتيريا غير الضارة إلى البكتيريا المسببة للأمراض في الميكروبيوم البشري أو الحيواني.

على نفس المنوال ، فإن الوجود المتناقض للعديد من جينات المقاومة للمضادات الحيوية في ميكروبيوم الأمعاء البشرية يدفع إلى اعتبار هذا الميكروبيوم كبيئة مثالية لتشتت الجينات المقاومة للمضادات الحيوية [37 ، 38] بين الميكروبات المقيمة وبين الميكروبات العرضية ، المساهمة في تفاقم مشكلة انتشار مقاومة المضادات الحيوية التي تشكل اليوم تهديدًا خطيرًا لاستخدام المضادات الحيوية كأداة إكلينيكية. ومع ذلك ، أظهرت دراسة حديثة وأنيقة [39] استنادًا إلى مقارنة الهياكل ثلاثية الأبعاد أن غالبية محددات المقاومة للمقاومة المعوية البشرية تقع في الكروموسومات البكتيرية ولا ترتبط بعناصر التعبئة مثل الترانسبوزسات أو العناصر المقترنة أو الإنتغرات. ، مما يشير إلى أن انتقال جينات المقاومة هذه بين الأنواع ، بما في ذلك مسببات الأمراض الانتهازية ، أمر نادر الحدوث. هذا يتفق مع العدد المنخفض من أحداث النقل من المتعايشات المعوية إلى البكتيريا الممرضة التي لوحظت حتى الآن [40 ، 41].

إلى جانب المضادات الحيوية الكلاسيكية ، تعد الببتيدات المضادة للميكروبات (AMPs) التي ينتجها الغشاء المخاطي للمضيف مكونات مهمة للاستجابة المناعية الفطرية للكائنات متعددة الخلايا. وبهذا المعنى ، فإن التعبئة المحتملة لجينات المقاومة ضد AMPs لمسببات الأمراض الانتهازية يمكن أن تعرض هذه الاستجابة الفطرية للخطر بشكل خطير. علاوة على ذلك ، أعيد تقديم AMPs من أصل بكتيري مؤخرًا في العيادات كعوامل "الملاذ الأخير" لمحاربة الالتهابات المقاومة للأدوية المتعددة. يمكن أن تشكل تعبئة محددات المقاومة لهذه المضخات الكبيرة تهديدًا خطيرًا لاستخدام هذه الببتيدات كأسلحة "الملاذ الأخير".

أظهرت دراسة حديثة أخرى تقارن جينات مقاومة المضادات الحيوية وجينات مقاومة AMPs [42] أن جينات مقاومة AMPs أقل عرضة للتعبئة من الجينات المقاومة للمضادات الحيوية في ميكروبيوم الأمعاء البشري: الاستنساخ في الإشريكية القولونية تُظهر جينات مقاومة AMP من البكتيريا البعيدة عن التطور أن لديها قدرة محدودة فقط على منح المقاومة ، مما يشير إلى أن هناك حواجز جينية تحول دون النقل الأفقي لجينات مقاومة AMP هذه على الأرجح مرتبطة بالخلفية الجينية المختلفة للمتبرعين والمتلقين.

ومع ذلك ، فإن هذه النتائج لا تستبعد التهديد المتمثل في أن التعبئة العرضية لجينات مقاومة AMPs أو جينات مقاومة المضادات الحيوية تستلزم استخدام هذه العوامل في الرعاية الصحية البشرية لأنه تم الإبلاغ مؤخرًا عن تعبئة وانتشار جينات المقاومة ضد AMP colistin المشتقة من البكتيريا [43 ، 44].

تطوير أدوات المعلومات الحيوية الجديدة التي تسمح بتحديد HGT على مستوى المجتمع دون الحاجة إلى الجينومات المرجعية وتتبع اتجاه تدفق النقل ، مثل MetaCHIP [45] يوفر طرقًا جديدة لفهم تأثير HGT في الميكروبيوم البشري.

جانب آخر مهم يجب مراعاته هو إمكانية نقل المادة الوراثية من البكتيريا إلى الخلايا الجسدية البشرية ومشاركتها في الأمراض التي تصيب الإنسان. بهذا المعنى ، تم الكشف عن أن بعض الخلايا الجسدية المتحولة لدى الإنسان ، مثل خلايا سرطان الدم النخاعي الحاد أو خلايا سرطان المعدة الغدية يبدو أنها تحمل تسلسلات قادمة من البكتيريا الموجودة في الميكروبيوم البشري [46 ، 47]. تفتح هذه الدراسات بوابة جديدة لاستكشاف العلاقة المحتملة بين HGT والسرطان.


أسباب (وسطاء) من HGT

آليات HGT في بدائيات النوى

في الطبيعة ، يعتبر التحول والتحول والاقتران الآليات الرئيسية لـ HGT. تتضمن الآليات الأخرى عوامل نقل الجينات (GTAs) ، والأنابيب النانوية ، والحويصلات الغشائية (MVs) [والتي تسمى أيضًا الحويصلات خارج الخلية (EVs) أو exosomes] (الشكل 1 Dauros Singorenko et al.، 2017 Hong et al.، 2019). وفقًا لذلك ، يمكن تحقيق إنتاج الحمض النووي المؤتلف عن طريق التحويل المباشر للحمض النووي أو الحمض النووي الريبي من المتبرع ، ثم الدمج اللاحق للمواد الجينية الأجنبية في جينوم الخلية المتلقية. تحدث هذه الظاهرة في مجموعة متنوعة من البكتيريا وهي مسؤولة عن نقل العناصر الجينية المتنقلة (MGEs) مثل الينقولات و / أو الأنتيجرونات و / أو أشرطة الجينات بين الأنواع البكتيرية.

وفي الوقت نفسه ، نظرًا لأن أنظمة الاستنساخ الطبيعية وناقلات التعبير الجيني ، يتم استخدام الإنتغريونات كآلية مستقلة لنقل الجينات بين العديد من الجينومات البكتيرية ، مما يمكّن المتلقين من الحصول على أشرطة الجينات المقاومة للمضادات الحيوية وحملها والتعبير عنها (جيلنغز ، 2014). وتجدر الإشارة إلى أن النقل الأفقي للإكترون معروف بأنه أهم طريقة لنشر ونشر جينات مقاومة المضادات الحيوية (ARGs) بين السلالات البكتيرية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن القدرة على النقل الانتقائي للجينات المقاومة تعزز تطور جينوم البكتيريا لتحمل التكيف مع التغيرات البيئية (Mazel، 2006 Engelst & # x00E4dter et al.، 2016).

وبالمثل ، يحدث التنبيغ عندما تحمل العاثية جزءًا من المعلومات الجينية البكتيرية من بكتيريا إلى بكتيريا أخرى. في عملية الاقتران ، ينتقل تسلسل الحمض النووي الكامل ، على سبيل المثال ، البلازميد ، بين الخلايا البكتيرية عبر اتصال مباشر من خلية إلى خلية عن طريق اقتران بيلوس ، والذي ثبت أنه عملية فعالة لنقل المادة الجينية (لانج وآخرون). آل ، 2012).

عوامل نقل الجينات هي جسيمات شبيهة بالعاثيات تعرف بالنواقل الطبيعية. تم عرض التبادل الجيني من خلال GTA لأول مرة في البكتيريا الارجوانية غير الكبريتية Rhodobacter. تنتج بعض البكتيريا GTAs لنقل أجزاء عشوائية من البكتيريا المضيفة & # x2019s DNA إلى خلية مستقبلية. يعد نقل الجينات بواسطة الأنابيب النانوية والإكسوسومات الوسيطات التي تم رصدها حديثًا لـ HGT ، حيث يتجاوز نقل المادة الوراثية الحمض النووي (Bronkhorst et al. ، 2019).

يمكن للأنابيب النانوية المحدودة الحجم بين الخلايا والمكونة من أغشية شبيهة بالبكتيريا أن تربط بين الخلايا المجاورة لتبادل الجزيئات داخل الخلايا بسهولة بما في ذلك المستقلبات والبروتين و mRNA و DNA البلازميد. تتضمن آلية النقل إنشاء شبكة من القنوات الأنبوبية ، مما يتيح نقل المحتوى السيتوبلازمي (Ficht ، 2011). يُظهر أن MVs ، باعتبارها هياكل ثنائية الطبقة ، تنقل الجزيئات الحيوية بين البكتيريا في شكل محمي ، لذا فإن احتمال نقل الجين الناجح مرتفع (Dubey and Ben-Yehuda، 2011 Brimacombe et al.، 2015 Soucy et al.، 2015 Shin et. al.، 2016 Domingues and Nielsen، 2017).

آليات HGT في حقيقيات النوى

يحدث نقل الجينات الأفقي بطرق مختلفة في الكائنات متعددة الخلايا. على سبيل المثال ، في النباتات ، يمكن أن يعمل HGT عبر عوامل طبيعية ، مثل اتصال الطفيلي المضيف. يعمل الطفيل كناقل ينقل جينات الميتوكوندريا بين نوعين نباتيين متنوعين. في الواقع ، يمكن للنباتات الهوائية والطفيليات أن تسبب تغيرات جينية لأنها تنقل الحمض النووي بين النباتات (Richardson and Palmer ، 2006).

يعد نقل الجينات الأفقي عبر الينقولات طريقة سائدة بين كل من النباتات والحيوانات التي تشترك في المادة الوراثية. يعد انتقال الينقولات بين أنواع نباتات الأرز والدخن أحد أوضح حالات التبادل الجيني بوساطة الينقولات ، والتي تُعرف أيضًا باسم الجينات القافزة أو الحمض النووي الأناني (El Baidouri et al. ، 2014).

ومن بين الوسطاء الآخرين الذين ظهروا حديثًا لـ HGT في حقيقيات النوى ذات الآثار السريرية exosomes ، والأجسام الأبوطوزية ، و cfDNA ، والتي ستتم مناقشتها في الأقسام التالية.


مناقشة

يصف هذا العمل ثلاث طرق رئيسية لدراسة HGT للمحددات الجينية في بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية. على الرغم من دراسة التحويل والاقتران لعقود ، إلا أنه لم يتم التعرف على وجود التحول الطبيعي إلا مؤخرًا 2. هكذا، بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية مجهز بجميع الأنماط الرئيسية الثلاثة لـ HGT ، ويلزم اختبارها جميعًا لتوضيح مسارات الانتشار المحتملة للمحددات الجينية. الهدف من هذا العمل هو تجميع بروتوكولات كاملة وتقديم معلومات عملية عن المنهجيات المستخدمة في عمل منشور سابقًا 7. على الرغم من توفر بروتوكولات الاقتران والتنقل ، إلا أن هذه هي الورقة الأولى التي يتم فيها وصف بروتوكول تحويل مفصل.

يعتبر الاقتران باستخدام طريقة التزاوج المرشح تقنية بسيطة ويمكن تطبيقها على دراسة الانتقال الاقتراني في الأنواع البكتيرية المختلفة. باستخدام اللقاح المعياري ، يصل عد المستلم بعد 18-24 ساعة إلى قيمة

10 9 CFU / مل. تعداد المترابطات متغيرة ، والقيم تظهر اعتمادًا قويًا على الإجهاد ، ولكن عادةً ، تم الحصول على نطاق متحولة من 10 2 إلى 10 5 عندما كانت نتائج الاقتران إيجابية. باستخدام البروتوكول المقدم هنا ، كان حد الكشف الذي تم تحقيقه هو & # x0003c10 transconjugants / mL. يمكن تحسين هذا الحد من خلال تركيز تعليق المرشح.

تم إنشاء بروتوكول التحول الطبيعي الموصوف هنا في بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية سلالات N315- اشتقاق. يعد استخدام وسيط CS2 أمرًا بالغ الأهمية للتحول ، نظرًا لأن التحول غير قابل للكشف في وسائط المختبر القياسية الأخرى ، مثل TSB و BHI13.

استخدام البلازميدات المخزنة على المدى الطويل (على سبيل المثال ، pT181 و pHY300) حيث أدى المتبرع إلى تقليل التردد بمقدار 10 إلى 50 ضعفًا (البيانات غير معروضة) ، مما يشير إلى أن جودة الحمض النووي يمكن أن تؤثر على وتيرة التحويل. من المعروف أن البلازميدات المكسورة ليست مناسبة للتحول الطبيعي في B. الرقيقة16.

تم الحصول على الحمض النووي من كليهما بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية و بكتريا قولونية يمكن استخدامها كمانح في فحوصات التحول الطبيعي ، مما يشير إلى أن حاجز التقييد لا يمنع التحول الطبيعي. لاحظنا أيضًا نفس تردد التحويل بين الحمض النووي المحضر من بكتريا قولونية HST04 (السد - / dcm - ) تفتقر إلى جينات ميثيلاز الحمض النووي ومن JM109 ، مما يدعم فكرة أن حالة المثيلة لا تؤثر على وتيرة التحول.

وتجدر الإشارة إلى أن تردد التحويل المكتشف باستخدام هذا البروتوكول كان منخفضًا (

10 -9 -10 -10) ، والسلالات القابلة للتحويل تقتصر على مشتقات N315 2. من المحتمل أن تكون كفاءة التحويل في بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية يمكن أن يكون خاصًا بالسلالة ، كما تم الإبلاغ عنه أيضًا في البكتيريا القابلة للتحويل الأخرى. مزيد من الدراسات جارية لتحسين كفاءة التحويل وسيتم وصف ذلك في مكان آخر.

يبدو أن نقل العاثيات هو آلية HGT الأكثر انتشارًا في بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية لأن معظم بكتريا المكورة العنقودية البرتقالية تتحلل العزلات بواسطة العاثيات. تعتمد قدرة عدوى الملتهمة المحولة على قابلية المضيف وتحتاج إلى فحصها بمقايسة البلاك. يتمثل أحد القيود الأخرى لتوصيل العاثيات في حجم الحمض النووي. يمكن نقل الحمض النووي الصغير بكفاءة ، ولكن لا يمكن تعبئة شظايا الحمض النووي التي يزيد حجمها عن 45 كيلو بايت في رأس الملتهمة العنقودية. ومع ذلك ، فقد تم مؤخرًا عزل العاثية العنقودية العملاقة الجديدة عن البيئة ، ويمكن تصور أنها قادرة على نقل أجزاء أكبر من الحمض النووي.

طريقة فحص البلاك الموصوفة في هذا العمل أسهل من البروتوكول التقليدي ، حيث يتم استخدام أعلى أجار. ومع ذلك ، فإن الطريقة الحالية تتطلب أن تنتشر الخلايا البكتيرية بالتساوي من أجل اكتشاف اللويحات الصغيرة المتولدة على السطح. لتحقيق الانتشار المتساوي تمامًا ، نوصي بنشر كمية كافية من المعلق البكتيري على سطح الأجار ، والتوقف عندما يغطي السائل سطح الأجار بالتساوي. بعد ذلك ، جفف الألواح بتدفق الهواء في مقعد نظيف. إذا كان من الضروري تجنب lysogenization من الملتهمة المحولة ، يوصى بتعدد منخفض للعدوى (يجب ألا تتجاوز وزارة الداخلية 1). يمكن تمييز الخلايا غير المتجانسة من خلال قابليتها المتناقصة للعاثية في فحص البلاك.


HGT في الأغشية الحيوية: إمكانية التطبيق على الأمعاء البشرية

يمثل تكوين البيوفيلم إحدى الاستراتيجيات البكتيرية الأساسية للنمو والبقاء في الطبيعة والمرض (70). الأغشية الحيوية عبارة عن مجتمعات من الميكروبات المدمجة في المصفوفات المكونة من مادة بوليمرية خارج الخلية ، وكانت متورطة في كل من الحالات الصحية والمرضية للمضيف. تعتبر موائل البيوفيلم شائعة في العديد من النظم البيئية البيولوجية. تستمر غالبية الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في البيئات الطبيعية والسريرية والصناعية بالاقتران مع الأسطح وليس في حالة العوالق. توجد عادة في العديد من النظم البيئية بما في ذلك أسنان البشر والحيوانات ، وفي تجويف الأمعاء (71).

يتعرف الجهاز المناعي على العديد من الأنماط البكتيرية المختلفة ، ولكن يمكن تمويه هذه المكونات في نمط حياة الأغشية الحيوية. يؤدي الانتقال من العوالق إلى الحالة المرتبطة بالأغشية الحيوية إلى إنتاج البكتيريا للجزيئات الصغيرة ، والتي يمكن أن تزيد الالتهاب وتحفز موت الخلايا ونخرها وقد تعزز التعديل بعد الترجمة من البروتينات غير المستخلصة من البروتينات إلى البروتينات المناعية ، مما يؤدي إلى ردود فعل مناعية غير مرغوب فيها (72 ، 73). بينما يتم مسح الخلايا العوالق بسهولة ، تكون الخلايا الموجودة في الأغشية الحيوية أقل عرضة للإزالة بواسطة العدلات والضامة. علاوة على ذلك ، في وجود هذه الخلايا المضيفة ، يتم تحسين تكوين الأغشية الحيوية ، ويمكن دمج مكونات الجهاز المناعي للمضيف في مصفوفة المادة البوليمرية خارج الخلية (71). على وجه الخصوص ، يتم تسهيل تكوين الأغشية الحيوية في الأمعاء عن طريق جزيئات الغلوبولين المناعي البشري المفرزة (74). وتشتهر بيئة الأغشية الحيوية الرقيقة بخصائص تعزيز HGT (5).

تعد الأنماط الظاهرية التعاونية مهمة لعمل المجتمعات البكتيرية في العديد من السياقات ، بما في ذلك التركيب ، والربط عبر استشعار النصاب ، وتكوين الأغشية الحيوية ، وتبادل مقاومة المضادات الحيوية ، وتطور العدوى متعددة الميكروبات. تستوعب الأمعاء البشرية كثيفة ومتنوعة من الميكروبات الحيوية للصحة ، ومع ذلك ، فإن التعاون داخل هذا النظام البيئي المهم ، والذي تطور عبر عملية طويلة للتطور المشترك ، غير مفهوم جيدًا (75). بناءً على التوازن المتبادل ، ثنائي الاتجاه ، التعاوني ، والمضبوط أعلاه بيننا وبين الكائنات الحية الدقيقة ، قد تظهر عدة أسئلة ، مثل ، ما إذا كان هناك خطر مرتبط باضطراب هذا التوازن ، أو ما إذا كانت البروبيوتيك واستخدام المؤتلف قد تؤثر الإنزيمات الموجودة في الأطعمة على HGT في الأمعاء البشرية ، أو إذا كان ملف المنتج الميكروبي / الميكروبي المتغير يمكن أن يؤثر على صحة الإنسان.


نقل الجينات الأفقي من البشر - علم الأحياء

يرفض الناس الكائنات المعدلة وراثيًا كغذاء لمجموعة متنوعة من الأسباب ، ولكن السبب الوحيد الأكثر ذكرًا هو الاعتقاد الخاطئ بأنها غير صحية. يمثل هذا الاعتقاد المحدد أيضًا أكبر انفصال بين رأي العلماء والجمهور العام في استطلاع Pew لعام 2015 ، وهو أكبر من التطور أو تغير المناخ أو سلامة اللقاحات.

سبب هذا الانفصال هو أن الجمهور يعتمد على حدسهم ، بدلاً من المعرفة العلمية ، للوصول إلى استنتاجهم. علاوة على ذلك ، تم اختطاف هذا الحدس من خلال حملة متعمدة لمكافحة الكائنات المعدلة وراثيًا تم تنظيمها من قبل دعاة حماية البيئة المضللين ولوبي الأغذية العضوية للمساعدة في الترويج لعلامتهم التجارية.

كما يجادل ستيفان بلانك وزملاؤه في المقالة أعلاه:

يشمل هذا التفكير البديهي علم الأحياء الشعبي ، والحدس الغائي والمتعمد والاشمئزاز.

واحدة من & # 8220folk biology & # 8221 نقاط الحديث للحشد المناهض للكائنات المعدلة وراثيًا هي أنه & # 8220unnatural & # 8221 وضع الجينات من نوع واحد في نوع بعيد. لم يتم تقديم المزيد من المنطق للدفاع عن هذا المنصب & # 8211 يبدو أن استدعاء ما هو & # 8220 طبيعي & # 8221 كافٍ. غالبًا ما يشير أولئك الذين يدافعون عن الموقف العلمي إلى أن هذا غير ذي صلة ، إنه مجرد مظهر من مظاهر الانجذاب إلى الطبيعة المغالطة. سواء حدث شيء ما في الطبيعة أم لا ، لا يحدد ما إذا كان جيدًا أم سيئًا لصحة الإنسان.

في الواقع ، طورت معظم النباتات سمومًا وسمومًا على وجه التحديد لتكون ضارة بالحيوانات والأشياء التي قد تأكلها. زاد البشر بشكل كبير من عدد النباتات التي يمكنهم تناولها عن طريق تغيير تلك النباتات بشكل مصطنع ودرامي ، وتقليل السموم الطبيعية وتحسين النكهة والقيمة الغذائية.

يرفض الحشد المضاد للكائنات المعدلة وراثيًا هذه الحجة ، مع ذلك ، قائلاً إن هناك فرقًا بين تغيير النبات ببطء بمرور الوقت من خلال التكاثر والزراعة مقابل تغيير النبات بسرعة من خلال التلاعب الجيني المباشر. لكن مرة أخرى ، هم فقط يستحضرون حدسهم ، وليس أي واقع علمي محدد.

نقل الجينات الأفقي

هناك عيب آخر ، قاتل بنفس القدر ، في الحجة القائلة بأن الكائنات المعدلة وراثيًا هي & # 8220 غير طبيعية & # 8221 لأن الأنواع البعيدة لا تتبادل الجينات في الطبيعة & # 8211 & # 8217s خطأ. يشير علماء الأحياء إلى انتقال الجينات من الوالد إلى الطفل على أنه انتقال جيني عمودي. وبالمثل ، يُشار إلى نقل الجينات من كائن حي إلى آخر ليس من خلال النسب على أنه نقل الجينات الأفقي.

التعديل الجيني هو ببساطة تقنية لإنجاز نقل الجينات الأفقي الموجه ، لكن مثل هذا التبادل للمواد الجينية يحدث طوال الوقت في الطبيعة ، دون أي تدخل بشري ، وحتى عبر الممالك.

يمكن أن يحدث هذا جزئيًا لأن جزءًا آخر من البيولوجيا الشعبية المضادة للكائنات المعدلة وراثيًا خاطئ تمامًا أيضًا. تثير الشائنة & # 8220fishmato & # 8221 الاشمئزاز لدى البعض بسبب حدسهم الخاطئ بأن جينات الأسماك لا تنتمي إلى الطماطم. في الواقع ، يعتقد 40٪ من الأمريكيين الذين شملهم الاستطلاع أن طعم الطماطم المعدلة بجين سمكي سيكون مريبًا. (في الوقت نفسه ، اعتقد 22٪ من الكنديين في دراسة استقصائية أخرى أن طعمهم مريب ، لكن 30٪ في نفس الاستطلاع لم يعتقدوا أن الطماطم العادية لها جينات).

الواقع العلمي مختلف جدا. في الواقع ، لا يوجد شيء مثل & # 8220fish gene. & # 8221 بالتأكيد ، تمتلك الأسماك جينات ، لكن جيناتها هي نفسها مثل أي جين آخر. يشترك كل كائن حي على الأرض في نفس البنية الجينية والآلية والشفرة الجينية. نحن نشارك أيضًا في التاريخ التطوري. تشترك الأسماك والطماطم بالفعل في حوالي 60 ٪ من جيناتها (اعتمادًا على كيفية حسابها ، لكن هذا تقدير معقول). تشترك أنت والطماطم في حوالي 60٪ من جيناتك.

لا يوجد شيء بطبيعته & # 8220fishy & # 8221 حول الجينات في الأسماك ، ولن يؤدي نقل & # 8220fish gene & # 8221 إلى نبات إلى نقل بعض الجوهر المريب معه. سوف ينقل ببساطة أي بروتين يرمز إليه الجين.

كدليل واضح على أنه يمكن تبديل الجينات بسهولة بين الأنواع المختلفة (الأنواع التي لا يمكن أن تتكاثر) وحتى بين الممالك ، هناك العديد من الأمثلة من الطبيعة. في الواقع ، كل نوع لديه مادة وراثية اكتسبتها في تاريخها التطوري من نقل الجينات الأفقي. But here are some examples of functional genes acquired this way.

Viruses that infect bacteria often “steal” genes from those bacteria, but a recent study shows that one such virus, that infects bacteria that live in insects and spiders, acquired genes from a black widow spider for a poison that enables it to punch through cell walls.

Another recent study demonstrates that an amoeba, Paulinella, which is photosynthetic, took genes from engulfed bacteria to replace broken genes that it needed. Specifically, Paulinella has an endosymbiotic organelle that does the photosynthesis (it had previously engulfed a photosynthetic bacteria about 100 million years ago). There is a tendency for endosymbiotic organisms to lose function over time as their genes succumb to random mutations, since they are isolated from their free-living cousins. Paulinella solved this problem by engulfing other bacteria and taking their genes to replace the broken genes in their photosynthetic organelles.

“The major finding of the study is the microbial world, which we know is full of valuable genes, can move these genes between organisms according to need,” said Debashish Bhattacharya, a study co-author and distinguished professor in the Department of Ecology, Evolution and Natural Resources at Rutgers. “When a microbe has a gene deficit, it can in some cases fill that deficit by grabbing the same gene from the environment. This shows how fluid microbial genomes really are.”

Genes are more fluid in the microbial world, but they are also fluid in the macro world as well. Sweet potatoes have been found to have a gene acquired from soil bacteria about 8,000 years ago. All domestic sweet potato varieties examined to date have the bacterial genes, which likely helped the plants develop their enlarged and edible roots.

Bacteria are a different kingdom of life from plants. You cannot get more evolutionary distance than that. And yet the bacteria gene, transferred by nature without any human intervention, works just fine in the plant.

Our intuitions about nature do not seem to be accurate. This is broadly true – science has largely been the practice of disproving our intuitions about reality.

Our intuition tells us that species are very specific things unto themselves. Pre-evolutionary biologists certainly accepted this without question. That is why our creation myths talk about creating creatures each according to its own “kind.”

The reality is that species are fuzzy, they blend into each other. Life is messy, and all living things are related to each other. We also swap genes all the time.

Human, for whatever reason, evolved strong emotions and intuitions surrounding food. We tend, in fact, to be neurotic about food. This probably had an advantage when we had to find food in a hostile world of mostly poison. Now it leads to some strange behaviors, like the obsession of many children with keeping their food segregated on their plate.

The emotion of disgust is clearly adaptive, but emotions are blunt instruments. We like our food to be pure and pristine, uncontaminated, and wholesome. This is reasonable, but the problem comes when we try to operationally define what we mean by these things.

The “clean eating” and “natural” eating movement is largely based on a misapplication of the clumsy emotion of disgust and our inaccurate intuitions about nature. Putting a gene from one kingdom into another is not unnatural, and being natural does not mean anything anyway. Genes are being swapped all over the place. Genes do not contain the “essence” of the “species” to which they belong. Genes are just tools, they are instructions for assembling amino acids into proteins. Genes are promiscuous tools – they don’t care who they work for.


Horizontal gene transfer from humans - Biology

Horizontal Gene Transfer The Hidden Hazards of Genetic Engineering

Mae-Wan Ho - Institute of Science in Society and Department of Biological Sciences,
Open University, Walton Hall, Milton Keynes, MK7 6AA, UK

A version of this paper will appear on the website of SCOPE - a NSF-funded research project involving Science Journal and groups
at the University of California at Berkeley and the University of Washington in Seattle.

Genetic engineering involves designing artificial constructs to cross species barriers and to invade genomes. In other words, it
enhances horizontal gene transfer the direct transfer of genetic material to unrelated species. The artificial constructs or transgenic
DNA typically contain genetic material from bacteria, viruses and other genetic parasites that cause diseases as well as antibiotic
resistance genes that make infectious diseases untreatable. Horizontal transfer of transgenic DNA has the potential, among other
things, to create new viruses and bacteria that cause diseases and spread drug and antibiotic resistance genes among pathogens.
There is an urgent need to establish effective regulatory oversight to prevent the escape and release of these dangerous constructs into
the environment, and to consider whether some of the most dangerous experiments should be allowed to continue at all.

Key words: antibiotic resistance genes, dormant viruses, CaMV promoter, cancer, naked DNA, transgenic DNA,

Transgenic pollen and baby bees

Prof. Hans-Hinrich Kaatz from the University of Jena, is reported to have new evidence, as yet unpublished, that genes engineered
into transgenic plants have transferred via pollen to bacteria and yeasts living in the gut of bee larvae(1).

If Prof. Kaatz claim can be substantiated, it indicates that the new genes and gene-constructs introduced into transgenic crops and
other transgenic organisms can spread, not just by ordinary cross-pollination or cross-breeding to closely related species, but by the
genes and gene-constructs invading the genomes (the totality of the organisms own genetic material) of completely unrelated species,
including the microorganisms living in the gut of animals eating transgenic material.

This finding is not unexpected. Some scientists have been drawing attention to this possibility recently(2), but the warnings actually
date back to the mid-1970s when genetic engineering began. Hundreds of scientists around the world are now demanding a
moratorium on all environmental releases of transgenic organisms on grounds of safety(3), and horizontal gene transfer is one of the
major considerations.

Some of us have argued that the hazards of horizontal gene transfer to unrelated species are inherent to genetic engineering(4). ال
genes and gene-constructs created in genetic engineering have never existed in billions of years of evolution. They consist of genetic
material originating from bacteria, viruses and other genetic parasites that cause diseases and spread drug and antibiotic resistance
الجينات. They are designed to cross all species barriers and to invade genomes. The spread of such genes and gene-constructs have the
potential to make infectious diseases untreatable and to create new viruses and bacteria that cause diseases.

Horizontal gene transfer may spread transgenes to the entire biosphere

Horizontal gene transfer is the transfer of genetic material between cells or genomes belonging to unrelated species, by processes
other than usual reproduction. In the usual process of reproduction, genes are transferred vertically from parent to offspring and
such a process can occur only within a species or between closely related species.

Bacteria have been known to exchange genes across species barriers in nature. There are three ways in which this is accomplished. في
conjugation, genetic material is passed between cells in contact in transduction, genetic material is carried from one cell to another
by infectious viruses and in transformation, the genetic material is taken up directly by the cell from its environment. For horizontal
gene transfer to be successful, the foreign genetic material must become integrated into the cell s genome, or become stably
maintained in the recipient cell in some other form. In most cases, foreign genetic material that enters a cell by accident, especially if it
is from another species, will be broken down before it can incorporate into the genome. Under certain ecological conditions which are
still poorly understood, foreign genetic material escapes being broken down and become incorporated in the genome. على سبيل المثال،
heat shock and pollutants such as heavy metals can favor horizontal gene transfer and the presence of antibiotics can increase the
frequency of horizontal gene transfer 10 to 10 000 fold(5).

While horizontal gene transfer is well-known among bacteria, it is only within the past 10 years that its occurrence has become
recognized among higher plants and animals(6). The scope for horizontal gene transfer is essentially the entire biosphere, with bacteria
and viruses serving both as intermediaries for gene trafficking and as reservoirs for gene multiplication and recombination (the process
of making new combinations of genetic material (7)).

There are many potential routes for horizontal gene transfer to plants and animals. Transduction is expected to be a main route as
there are many viruses which infect plants and animals. Recent research in gene therapy indicates that transformation is potentially very
important for cells of mammals including human beings. A great variety of naked genetic material are readily taken up by all kinds of
cells, simply as the result of being applied in solution to the eye, or rubbed into the skin, injected, inhaled or swallowed. In many
cases, the foreign gene constructs become incorporated into the genome(8).

Direct transformation may not be as important for plant cells, which generally have a protective cell wall. But soil bacteria belonging to
the genus Agrobacterium are able to transfer the T (tumour) segment of its Tumour-inducing (Ti) plasmid (see below) into plant cells
in a process resembling conjugation. This T-DNA is widely exploited as a gene transfer vehicle in plant genetic engineering (see
أدناه). Foreign genetic material can also be introduced into plant and animal cells by insects and arthropods with sharp mouthparts.
In addition, bacterial pathogens which enter plant and animal cells may take up foreign genetic material and carry it into the cells, thus
serving vectors for horizontal gene transfer(9). There are almost no barriers preventing the entry of foreign genetic material into the
cells of probably any species on earth. The most important barriers to horizontal gene transfer operate after the foreign genetic
material has entered the cell(10).

Most foreign genetic material, such as those present in ordinary food, will be broken down to generate energy and building-blocks for
growth and repair. There are many enzymes which break down foreign genetic material and in the event that the foreign genetic
material is incorporated into the genome, chemical modification can still put it out of action and eliminate it.

However, viruses and other genetic parasites such as plasmids and transposons, have special genetic signals and probably overall
structure to escape being broken down. A virus consists of genetic material generally wrapped in a protein coat. It sheds its overcoat
on entering a cell and can either hi-jack the cell to make many more copies of itself, or it can jump directly into the cell s genome.
Plasmids are pieces of free , usually circular, genetic material that can be indefinitely maintained in the cell separately from the cell s
الجينوم. Transposons, or jumping genes , are blocks of genetic material which have the ability to jump in and out of genomes, with
or without multiplying themselves in the process. They can also land in plasmids and be propagated there. Genes hitch-hiking in
genetic parasites, ie, viruses, plasmids and transposons, therefore, have a greater probability of being successfully transferred into cells
and genomes. Genetic parasites are vectors for horizontal gene transfer.

Natural genetic parasites are limited by species barriers, so for example, pig viruses will infect pigs, but not human beings, and
cauliflower viruses will not attack tomatoes. It is the protein coat of the virus that determines host specificity, which is why naked viral
genomes (the genetic material stripped of the coat) have generally been found to have a wider host range than the intact virus(11).
Similarly, the signals for propagating different plasmids and transposons are usually specific to a limited range of host species, although
there are exceptions.

As more and more genomes have been sequenced, it is becoming apparent that gene trafficking or horizontal gene transfer has played
an important role in the evolution of all species(12). However, it is also clear that horizontal gene trafficking is regulated by internal
constraints in the organisms in response to ecological conditions(13).

Genetic engineering is unregulated horizontal gene transfer

Genetic engineering is a collection of laboratory techniques used to isolate and combine the genetic material of any species, and then
to multiply the constructs in convenient cultures of bacteria and viruses in the laboratory. Most of all, the techniques allow genetic
material to be transferred between species that would never interbreed in nature. That is how human genes can be transferred into pig,
sheep, fish and bacteria and spider silk genes end up in goats. Completely new, exotic genes are also being introduced into food and
other crops.

In order to overcome natural species barriers limiting gene transfer and maintenance, genetic engineers have made a huge variety of
artificial vectors (carriers of genes) by combining parts of the most infectious natural vectors viruses, plasmids and transposons -
from different sources. These artificial vectors generally have their disease-causing functions removed or disabled, but are designed to
cross wide species barriers, so the same vector may now transfer, say, human genes spliced into the vector, to the genomes of all
other mammals, or of plants. Artificial vectors greatly enhance horizontal gene transfer (see Box 1).(14)

Artificial vectors enhance horizontal gene transfer

They are derived from natural genetic parasites that mediate
horizontal gene transfer most effectively.
Their highly chimaeric nature means that they have sequence
homologies (similarities) to DNA from viral pathogens,
plasmids and transposons of multiple species across Kingdoms.
This will facilitate widespread horizontal gene transfer and
recombination.
They routinely contain antibiotic resistance marker genes which
enhance their successful horizontal transfer in the presence of
antibiotics, either intentionally applied, or present as xenobiotic
in the environment. Antibiotics are known to enhance horizontal
gene transfer between 10 to 10 000 fold.
They often have origins of replication and transfer
sequences , signals that facilitate horizontal gene transfer and
maintenance in cells to which they are transferred.
Chimaeric vectors are well-known to be structurally unstable,
ie, they have a tendency to break and join up incorrectly or with
other DNA, and this will increase the propensity for horizontal
gene transfer and recombination.
They are designed to invade genomes, to overcome mechanisms
that breakdown or disable foreign DNA and hence will increase
the probability of horizontal transfer.

Although different classes of vectors are distinguishable on the basis of the main-frame genetic material, practically every one of them
is chimaeric, being composed of genetic material originating from the genetic parasites of many different species of bacteria, animals
and plants. Important chimaeric shuttle vectors enable genes to be multiplied in the bacterium E. coli and transferred into species in
every other Kingdom of plants and animals. Simply by creating such a vast variety of promiscuous gene transfer vectors, genetic
engineering biotechnology has effectively opened up highways for horizontal gene transfer and recombination, where previously the
process was tightly regulated, with restricted access through narrow, tortuous footpaths. These gene transfer highways connect
species in every Domain and Kingdom with the microbial populations via the universal mixing vessel used in genetic engineering, E.
القولونية. What makes it worse is that there is currently still no legislation in any country to prevent the escape and release of most artificial
vectors and other artificial constructs into the environment (15).

What are the hazards of horizontal gene transfer?

Most artificial vectors are either derived from viruses or have viral genes in them, and are designed to cross species barriers and
invade genomes. They have the potential to recombine with the genetic material of other viruses to generate new infectious viruses that
cross species barriers. Such viruses have been appearing at alarming frequencies. The antibiotic resistance genes carried by artificial
vectors can also spread to bacterial pathogens. Has the growth of commercial-scale genetic engineering biotechnology contributed to
the resurgence of drug and antibiotic infectious diseases within the past 25 years (16)? There is already overwhelming evidence that
horizontal gene transfer and recombination have been responsible for creating new viral and bacterial pathogens and for spreading
drug and antibiotic resistance among the pathogens. One way that new viral pathogens may be created is through recombination with
dormant, inactive or inactivated viral genetic material that are in all genomes, plants and animals without exception. إعادة التركيب
between external and resident, dormant viruses have been implicated in many animal cancers (17).

As stated earlier, the cells of all species including our own can take up foreign genetic material. Artificial constructs designed to invade
genomes may well invade our own. These insertions may lead to inappropriate inactivation or activation of genes (insertion
mutagenesis), some of which may lead to cancer (insertion carcinogenesis)(18). The hazards of horizontal gene transfer are
summarized in Box 2.

Potential hazards of horizontal gene transfer from genetic engineering

Generation of new cross-species viruses that cause disease
Generation of new bacteria that cause diseases
Spreading drug and antibiotic resistance genes among the viral
and bacterial pathogens, making infections untreatable
Random insertion into genomes of cells resulting in harmful
effects including cancer
Reactivation of dormant viruses, present in all cells and
genomes, which may cause diseases
Spreading new genes and gene constructs that have never existed
Multiplication of ecological impacts due to all of the above.

Transgenic DNA may be more likely to transfer horizontally than non-transgenic DNA

Both the artificial vectors used in genetic engineering and the genes transferred to make transgenic organisms are predominantly from
viruses and bacteria associated with diseases, and these are being brought together in combinations that have never existed in billions
of years of evolution.

Genes are never transferred alone. They are transferred in unit-constructs, known as an expression cassettes . Each gene has to be
accompanied by a special piece of genetic material, the promoter, which signals the cell to turn the gene on, ie, to transcribe the DNA
gene sequence into RNA. At the end of the gene there has to be another signal, a terminator, to end the transcription and to mark
the RNA, so it can be further processed and translated into protein. The simplest expression cassette looks like this:

Typically, each bit of the construct: promoter, gene and terminator, is from a different source. The gene itself may also be a composite
of bits from different sources. Several expression cassettes are usually linked in series, or stacked in the final construct. At least one
of the expression cassettes will be that of an antibiotic resistance marker gene to enable cells that have taken up the foreign construct
to be selected with antibiotics. The antibiotic resistance gene cassette will often remain in the transgenic organism.

The most commonly used promoters are from viruses associated with serious diseases. The reason is that such viral promoters give
continuous over-expression of genes placed under their control. The same basic construct is used in all applications of genetic
engineering, whether in agriculture or in medicine, and the same hazards are involved. There are reasons to believe that transgenic
DNA is much more likely to spread horizontal than the organisms own DNA (see Box 3) (19).

Reasons to suspect that transgenic DNA may be more likely to spread horizontally
than non-transgenic DNA

Artificial constructs and vectors are designed to be invasive to
foreign genomes and overcome species barriers.
All artificial gene-constructs are structurally unstable (20), and
hence prone to recombine and transfer horizontally.
The mechanisms enabling foreign genes to insert into the genome
also enable them to jump out again, to re-insert at another site,
or to another genome.
The integration sites of most commonly used artificial vectors
for transferring
genes are recombination hotspots , and so have an increased
propensity to transfer horizontally.
Viral promoters, such as that from the cauliflower mosaic virus,
widely used to make transgenes over-express, contain
recombination hotspots (21), and will therefore further enhance
horizontal gene transfer.
The metabolic stress on the host organism due to the continuous
over expression of transgenes may also contribute to the
instability of the insert (22).
The foreign gene-constructs and the vectors into which they are
spliced, are typically mosaics of DNA sequences from
numerous species and their genetic parasites that means they
will have sequence homologies with the genetic material of
many species and their genetic parasites, thus facilitating
wide-ranging horizontal gene transfer and recombination.

Additional hazards from viral promoters

We have recently drawn attention to additional hazards associated with the promoter of the cauliflower mosaic virus (CaMV) most
widely used in agriculture (23). It is in practically all transgenic plants already commercialized or undergoing field trials, as well as a
high proportion of transgenic plants under development, including the much acclaimed golden rice (24).

CaMV is closely related to human hepatitis B virus, and less so, to retroviruses such as the AIDS virus (25). Although the intact virus
itself is infectious only for cruciferae plants, its promoter is promiscuous in function, and is active in all higher plants, in algae, yeast,
and E. coli (26), as well as frog and human cell systems (27). Like all promoters of viruses and of cellular genes, it has a modular
structure, with parts common to, and interchangeable with promoters of other plant and animal viruses. It has a recombination
hotspot, flanked by multiple motifs involved in recombination, similar to other recombination hotspots including the borders of the
Agrobacterium T DNA vector most frequently used in making transgenic plants. The suspected mechanism of recombination
requires little or no DNA sequence homologies. Finally, viral genes incorporated into transgenic plants have been found to recombine
with infecting viruses to generate new viruses (28). In some cases, the recombinant viruses are more infectious than the original.

Proviral sequences generally inactive copies of viral genomes - are present in all plant and animal genomes, and as all viral
promoters are modular, and have at least one module the TATA box - in common, if not more. It is not inconceivable that the
CaMV 35S promoter in transgenic constructs can reactivate dormant viruses or generate new viruses by recombination. The CaMV
35S promoter has been joined artificially to copies of a wide range of viral genomes, and infectious viruses produced in the laboratory
(29). There is also evidence that proviral sequence in the genome can be reactivated (30).

These considerations are especially relevant in the light of recent findings that certain transgenic potatoes - containing the CaMV 35S
promoter and transformed with Agrobacterium T-DNA - may be unsafe for young rats, and that a significant part of the effects may
be due to "the construct or the genetic transformation (or both) (31)" The authors also report an increase in lymphocytes in the
intestinal wall, which is a non-specific sign of viral infection (32).

Evidence for horizontal transfer of transgenic DNA

It is often argued that transgenic DNA, once incorporated into the transgenic organism, will be just as stable as the organism s own
DNA. But there is both direct and indirect evidence against this supposition. Transgenic DNA is more likely to spread, and has been
found to spread by horizontal gene transfer.

Transgenic lines are notoriously unstable and often do not breed true (33). There is a paucity of molecular data documenting the
structural stability of the transgenic DNA, both in terms of its site of insertion in the genome and its arrangement of genes, in
successive generations. Instead, transgenes may be silenced in subsequent generations or lost altogether (34).

A herbicide-tolerance gene, introduced into Arabidopsis by means of a vector, was found to be up to 30 times more likely to escape
and spread than the same gene obtained by mutagenesis (35). One way this may happen is by secondary horizontal gene transfer via
insects visiting the plants for pollen and nectar (36). The reported finding that pollen can transfer transgenic DNA to bacteria in the gut
of bee larvae is relevant here.

Secondary horizontal transfer of transgenes and antibiotic resistant marker genes from genetically engineered crop-plants into soil
bacteria and fungi have been documented in the laboratory. Transfer to fungi was achieved simply by co-cultivation (37), while
transfer to bacteria has been achieved by both re-isolated transgenic DNA or total transgenic plant DNA (38). Successful transfers of
a kanamycin resistance marker gene to the soil bacterium Acinetobacter were obtained using total DNA extracted from homogenized
plant leaf from a range of transgenic plants: Solanum tuberosum (potato), Nicotiana tabacum (tobacco), Beta vulgaris (sugar
beet), Brassica napus (oil-seed rape) and Lycopersicon esculentum (tomato) (39). It is estimated that about 2500 copies of the
kanamycin resistance genes (from the same number of plant cells) is sufficient to successfully transform one bacterium, despite the
fact that there is six million-fold excess of plant DNA present. A single plant with say, 2.5 trillion cells, would be sufficient to
transform one billion bacteria.

Despite the misleading title in one of the publications,(40) a high gene transfer frequency of 5.8 x 10-2 per recipient bacterium was
demonstrated under optimum conditions. But the authors then proceeded to calculate an extremely low gene transfer frequency of 2.0
x 10-17 under extrapolated "natural conditions", assuming that different factors acted independently. The natural conditions,
however, are largely unknown and unpredictable, and even by the authors own admission, synergistic effects cannot be ruled out.
Free transgenic DNA is bound to be readily available in the rhizosphere around the plant roots, which is also an environmental
hotspot for gene transfer (41). Other workers have found evidence of horizontal transfer of kanamycin resistance from transgenic
DNA to Acinetobactor, and positive results were obtained using just 100ml of plant-leaf homogenate (42).

Defenders of the biotech industry still insist that just because horizontal gene transfer occurs in the laboratory does not mean it can
occur in nature. However, there is already evidence suggesting it can occur in nature. First of all, genetic material released from dead
and live cells, is now found to persist in all environments and not rapidly broken down as previously supposed. It sticks to clay, sand
and humic acid particles and retains the ability to infect (transform) a range of micro-organisms in the soil (43). تحول
bacteria in the soil by DNA adsorbed to clay sand and humic acid has been confirmed in microcosm experiments (44).

Reseachers in Germany began a series of experiments in 1993 to monitor field releases of transgenic rizomania-resistant sugar beet
(Beta vulgaris), containing the marker gene for kanamycin resistance, for persistence of transgenic DNA and of horizontal gene
transfer of transgenic DNA into soil bacteria (45). It is the first such experiment to be carried out after tens of thousands of field
releases and tens of millions of hectares have been planted with transgenic crops. It will be useful to review their findings in detail.

Transgenic DNA was found to persist in the soil for up to two years after the transgenic crop was planted. Though they did not
comment on it, the data showed that the proportion of kanamycin resistant bacteria in the soil increased significantly between 1.5 and
2 years. Could it be due to horizontal transfer of antibiotic resistance marker gene in the transgenic DNA? Although none of 4000
colonies of soil bacteria isolated a rather small number - was found to have taken up transgenic DNA by the probes available, two
out of seven samples of total bacterial DNA yielded positive results after 18 months. This suggests that horizontal gene transfer may
have taken place, but the specific bacteria which have taken up the transgenic DNA cannot be isolated as colonies. That is not
surprising as less than 1% of all the bacteria in the soil are culturable. The authors were careful not to rule out transgenic DNA being
adsorbed to the surface of bacteria rather than being tranferred into the bacteria.

The researchers also carried out microcosm experiments to which total transgenic sugar-beet DNA was added to non-sterile soil with
its natural complement of microorganisms. The intensity of the signal for transgenic DNA decreased during the first days and
subsequently increased. This may be interpreted as a sign that the transgenic DNA has been taken up by bacteria and become
amplified as a result.

In parallel, soil samples were plated and the total bacterial lawn allowed to grow for 4 days, after which DNA was extracted. العديد من
positive signals were found, "which might indicate uptake of transgenic DNA by competent bacteria."

The authors were cautious not to claim conclusive results simply because the specific bacteria carrying the transgenic DNA sequences
were not isolated. The results do show, however, that horizontal gene transfer may have taken place both in the field and in the soil
microcosm.

DNA is not broken down sufficiently rapidly in the gut either, which is why transfer of transgenic DNA to microorganisms in the gut of
bee larvae would not be surprising. A genetically engineered plasmid was found to have a 6 to 25% survival after 60 min. of exposure
to human saliva. The partially degraded plasmid DNA was capable of transforming Streptococcus gordonii, one of the bacteria that
normally live in the human mouth and pharynx. The frequency of transformation dropped exponentially with time of exposure to saliva,
but it was still detectable after 10 minutes. Human saliva actually contains factors that promote competence of resident bacteria to
become transformed by DNA (46).

Viral DNA fed to mice is found to reach white blood cells, spleen and liver cells via the intestinal wall, to become incorporated into
the mouse cell genome (47). When fed to pregnant mice, the viral DNA ends up in cells of the fetuses and the new born animals,
suggesting that it has gone through the placenta as well (48). The authors remark that "The consequences of foreign DNA uptake for
mutagenesis and oncogenesis have not yet been investigated (49)." As already mentioned, recent experiments in gene therapy leave
little doubt that naked nucleic acid constructs can readily enter mammalian cells and in many cases become incorporated into the cell s
الجينوم.

Horizontal gene transfer is an established phenomenon. It has taken place in our evolutionary past and is continuing today. كل ال
signs are that natural horizontal gene transfer is a regulated process, limited by species barriers and by mechanisms that break down
and inactivate foreign genetic material. Unfortunately, genetic engineering has created a huge variety of artificial constructs designed to
cross all species barriers and to invade essentially all genomes. Although the basic constructs are the same for all applications, some of
the most dangerous may be coming from the waste disposal of contained users of transgenic organisms(50). These will include
constructs containing cancer genes from viruses and cells from laboratories researching and developing cancer and cancer drugs,
virulence genes from bacteria and viruses in pathology labs. In short, the biosphere is being exposed to all kinds of novel constructs
and gene combinations that did not previously exist in nature, and may never have come into being but for genetic
engineering.

There is an urgent need to establish effective regulatory oversight, in the first instance, to prevent the escape and release of these
dangerous constructs into the environment, and then to consider whether some of the most dangerous experiments should be allowed
to continue at all.


Microplastics, horizontal gene transfer, and impacts on human health

An estimated 300 million tons of plastics are produced annually. Millions of those tons enter our air, soil, and water as waste every year. As waste, some of this material–still millions of tons–breaks down into smaller particles, or microplastics (< 5 mm in size) the microplastics come from the manufacture of industrial products and the physical, chemical, and biological degradation of larger pieces of plastic waste. “In urban areas, waste-water treatment plants constitute … important sources of microplastics, releasing up to several million pieces per day.”

Microplastics constitute pollutants that decompose extremely slowly and “act as long-lasting reactive surfaces, containing additives and/or absorbing organic matter and chemical substances, such as heavy metals, antibiotics, pesticides, and other xenobiotics. Additionally, microplastics can be colonized by different microbial communities from natural surface-attached and free-living microbial communities.”

A feature of microplastics “is their potential as so-called ‘hot-spots’ of horizontal gene transfer (HGT), as they display areas of increased nutrient availability and high cell densities of microbial cells, allowing for intense interactions. Conjugation is the main mechanism of directed HGT, a process in which two bacteria in close contact can exchange genetic information via plasmid transfer from a donor to a recipient cell. This process can occur even between distantly related taxa, affecting bacterial evolution and the spread of multiple phenotypic traits, such as antibiotic or heavy metal resistance genes.”

Microplastics “provide new hot spots for spreading antibiotic resistance genes … in natural aquatic ecosystems. Tons of microplastics in sites like wastewater treatment plants that get colonized by a multitude of microorganisms including pathogenic bacteria from humans or animals pose a tremendous potential for antibiotic resistance spreading by HGT. Effluents of wastewater treatment plants often flow into natural aquatic ecosystems, where some of the original pathogenic species may persist in the floating biofilm. During the transit through these aquatic ecosystems, processes of horizontal and vertical gene transfer on the associated bacteria can occur continuously. Multiple encounters between the microplastics-associated bacterial community and various natural populations are likely given that plastic particles remain present in the environment for extremely long periods, resulting even in their transfer to the gut microbiota of organisms feeding on microplastics.”

“Microplastics provide favorable conditions for the establishment of groups of microorganisms that differ from those in the surrounding water or on natural aggregates, thereby altering the structure and composition of microbial communities in aquatic environments. On plastics, an increased permissiveness towards plasmids carrying antibiotic resistance genes and eventually other genes facilitates the establishment of novel traits in bacterial communities by evolutionary changes at the species and population levels. Microplastics provide ideal conditions for collection, transport and dispersion of microorganisms and their associated mobile genetic elements over long distances, which could even reach a global scale. This poses increasing but greatly neglected hazards to human health because pathogens can invade new localities and natural, non-pathogenic microorganisms can potentially acquire and thus rapidly spread antibiotic resistance.”

Featured article:

Arias-Andres, M., Klümper, U., Rojas-Jimenez, K., & Hans-Peter Grossart. (2018). Microplastic pollution increases gene exchange in aquatic ecosystems. Environmental Pollution, 237, 253-261. [PDF] [Cited by]

For additional research, please see the Science Primary Literature Database.


شاهد الفيديو: تقنية كريسبر وتعديل جينات البشر بشكل مخيف (كانون الثاني 2022).