Агент переноса гена - Gene transfer agent

Сравнение типичной фаговой (бактериофаговой) инфекции и трансдукции (А) с типичным продуцированием и трансдукцией GTA (агента переноса гена) (B).

Агент переноса генаs (GTA) являются ДНК-содержащими вирус -подобные частицы, которые производятся некоторыми бактерии и археи и посредничать горизонтальный перенос генов. Различные типы GTA произошли независимо от вирусов в нескольких бактериальных и архейных линиях. Эти клетки производят частицы GTA, содержащие короткие сегменты ДНК присутствует в камере. После того, как частицы высвобождаются из клетки-продуцента, они могут прикрепляться к родственным клеткам и вводить свою ДНК в цитоплазму. Затем ДНК может стать частью генома клетки-реципиента.[1][2][3][4]

Открытие агентов переноса генов

Схематическое изображение анализа GTA.
Методы обнаружения агентов переноса генов. (А) Метод, использованный Марсом в 1974 г. (B) Бесклеточный метод экстракции.

Первая система GTA была открыта в 1974 году, когда смешанные культуры Rhodobacter capsulatus штаммы производили большое количество клеток с новыми комбинациями генов.[5] Ответственный фактор отличался от известных механизмов передачи гена тем, что он не зависел от контакта с клеткой, нечувствителен к дезоксинуклеазе и не был связан с продукцией фага. Из-за предполагаемой функции он был назван агентом переноса генов (GTA, теперь RcGTA). Совсем недавно были обнаружены другие системы агентов переноса генов путем инкубации фильтрованной (бесклеточной) культуральной среды с генетически отличным штаммом.[3]

Гены и эволюция GTA

Схематические диаграммы типичных кластеров генов профага и GTA.
Типичные кластеры генов профага и GTA.
Схематическая диаграмма филогенетических отношений между известными бактериальными агентами переноса генов.
Схематическая диаграмма эволюционных сил, которые действуют на бактериальный агент переноса генов и клетки, которые его производят.
Эволюционные силы, которые действуют на бактериальный агент переноса генов и клетки, которые его производят.

Гены, определяющие GTA, происходят от бактериофаг (фаг) ДНК, интегрированная в хромосому хозяина. Такой профаги часто приобретают мутации, которые делают их дефектными и неспособными производить фаговые частицы. Многие бактериальные геномы содержат один или несколько дефектных профагов, которые претерпели более или менее обширные мутации и делеции. Агенты переноса генов, подобные дефектным профагам, возникают в результате мутации профагов, но они сохраняют функциональные гены головных и хвостовых компонентов фаговой частицы (структурные гены) и гены упаковки ДНК. Гены фага, определяющие его регуляцию и репликацию ДНК, обычно удаляются, а экспрессия кластера структурных генов находится под контролем клеточных регуляторных систем. Дополнительные гены, которые способствуют производству или поглощению GTA, обычно присутствуют в других местах хромосом. Некоторые из них выполняют регулирующие функции, а другие вносят непосредственный вклад в производство GTA (например гены лизиса, производные фага) или захват и рекомбинация (например производство капсулы на поверхности клетки и транспортных белков ДНК). Эти гены, ассоциированные с GTA, часто находятся под координированной регуляцией с основным кластером генов GTA.[6] Белки клеточного лизиса (холин и эндолизин), производные фага, затем ослабляют клеточную стенку и мембрану, позволяя клетке разорваться и высвободить частицы GTA. Количество частиц GTA, производимых каждой ячейкой, неизвестно.

Некоторые системы GTA, кажется, являются недавним дополнением к их геномам хозяина, но другие поддерживались в течение многих миллионов лет. Если были проведены исследования дивергенции последовательностей (анализ dN / dS), они указывают на то, что гены поддерживаются естественным отбором для функции белка (т.е. дефектные версии удаляются).[7][8]

Однако природа этого выбора не ясна. Хотя первооткрыватели GTA предполагали, что перенос генов был функцией частиц, предполагаемые преимущества переноса генов обходятся населению дорого. Большая часть этих затрат возникает из-за того, что клетки, продуцирующие GTA, должны лизироваться (взрываться), чтобы высвободить свои частицы GTA, но существуют также генетические затраты, связанные с созданием новых комбинаций генов, потому что большинство новых комбинаций обычно менее пригодны, чем исходная комбинация.[9] Одно из альтернативных объяснений состоит в том, что гены GTA сохраняются, потому что GTA являются генетическими паразитами, которые инфекционно распространяются в новые клетки. Однако это исключено, потому что частицы GTA обычно слишком малы, чтобы содержать гены, которые их кодируют. Например, основной кластер RcGTA (см. Ниже) имеет длину 14 т.п.н., но частицы RcGTA могут содержать только 4–5 т.п.н. ДНК.

Большинство бактерий не проверялось на наличие GTA, и многие другие системы GTA могут ждать открытия. Хотя исследования на основе ДНК для генов, связанных с GTA, обнаружили гомологи во многих геномах, но интерпретация затруднена из-за сложности отличить гены, кодирующие GTA, от обычных генов профагов.[7] [8]

Производство GTA

Схематическая диаграмма, показывающая этапы производства бактериальных агентов переноса генов.
Типичные этапы производства бактериальных агентов переноса генов. (1) Транскрипция и трансляция генов GTA. (2) Сборка структурных белков GTA в пустые головы и несвязанные хвосты. (3) Упаковка «головных» сегментов ДНК в головы и прикрепление хвостов. (4) Лизис клетки.

В лабораторных культурах продукция GTA обычно максимизируется за счет определенных условий роста, которые индуцируют транскрипцию генов GTA; большинство GTA не индуцируются обработками, повреждающими ДНК, которые индуцируют многие профаги. Даже в условиях максимальной индукции только небольшая часть культуры продуцирует GTA, обычно менее 1%.[10][11]

Этапы производства GTA основаны на фаговой инфекции. Структурные гены сначала транскрибируются и транслируются, а белки собираются в пустые головы и несвязанные хвосты. Затем устройство упаковки ДНК упаковывает ДНК в каждую головку, разрезая ДНК, когда голова заполнена, прикрепляет хвост к голове, а затем перемещает вновь созданный конец ДНК на новую пустую головку. В отличие от генов профагов, гены, кодирующие GTA, не вырезаются из генома и реплицируются для упаковки в частицы GTA. Два наиболее изученных GTA (RcGTA и BaGTA) случайным образом упаковывают всю ДНК в клетке без чрезмерного представительства генов, кодирующих GTA.[10][12] Количество частиц GTA, производимых каждой ячейкой, неизвестно.

GTA-опосредованная трансдукция

Принципиальная схема генетической трансдукции бактериальными агентами переноса генов
Генетическая трансдукция бактериальными агентами переноса генов. (1) Частицы GTA попадают в подходящую ячейку-получатель. (2) Частицы прикрепляются к клетке и вводят свою ДНК, а клеточные белки перемещают ДНК через внутреннюю мембрану. (3) ДНК деградирует, если не может рекомбинировать с геномом реципиента. (4) ДНК с последовательностями, аналогичными геному реципиента, подвергается рекомбинации.

Приведет ли высвобождение частиц GTA к переносу ДНК в новые геномы, зависит от нескольких факторов. Во-первых, частицы должны выжить в окружающей среде - об этом мало что известно, хотя, как сообщается, частицы весьма нестабильны в лабораторных условиях.[13] Во-вторых, частицы должны встречаться и прикрепляться к подходящим клеткам-реципиентам, обычно членам одного или близкородственных видов. Подобно фагам, GTA прикрепляются к определенным белковым или углеводным структурам на поверхности клетки-реципиента перед инъекцией своей ДНК. В отличие от фага, хорошо изученные GTA, по-видимому, вводят свою ДНК только через первую из двух мембран, окружающих цитоплазму реципиента, и они используют другую систему, компетентность -производные, а не фаговые, для транспортировки одной цепи двухцепочечной ДНК через внутреннюю мембрану в цитоплазму.[14][15]

Если механизм рекомбинационной репарации клетки обнаруживает хромосомную последовательность, очень похожую на входящую ДНК, она заменяет первую на вторую путем гомологичной рекомбинации, опосредованной клеточным геномом. RecA белок. Если последовательности не идентичны, это даст клетку с новой генетической комбинацией. Однако, если входящая ДНК не имеет тесного отношения к последовательностям ДНК в клетке, она будет деградирована, и клетка будет повторно использовать свои нуклеотиды для репликации ДНК.

Особые системы GTA

RcGTA (Rhodobacter capsulatus)

Диаграмма регуляции RcGTA, агента переноса гена Rhodobacter capsulatus

GTA производства альфа-протеобактерии Rhodobacter capsulatus, названный R. capsulatus GTA (RcGTA) в настоящее время является наиболее изученной GTA. Когда лабораторные культуры Р. capsulatus входят в стационарную фазу, часть бактериальной популяции индуцирует продукцию RcGTA, и частицы впоследствии высвобождаются из клеток через лизис клеток.[11] Большинство структурных генов RcGTA кодируются в генетическом кластере размером ~ 15 т.п.н. на бактериальной хромосоме. Однако другие гены, необходимые для функции RcGTA, такие как гены, необходимые для лизиса клеток, расположены отдельно.[2][16] Частицы RcGTA содержат фрагменты ДНК размером 4,5 т.п.н., с равномерным представлением всей хромосомы, за исключением 2-кратного провала в месте кластера генов RcGTA.

Регулирование производства и трансдукции GTA изучено лучше всего в Р. capsulatus, где система контроля кворума и CtrA-фосфореле контролируют экспрессию не только основного кластера генов RcGTA, но также системы лизиса клеток холина / эндолизина, шипов на головке частиц, белка прикрепления (возможно, хвостовых волокон) и капсулы и Гены процессинга ДНК, необходимые для функции реципиента RcGTA. Неописанный стохастический процесс дополнительно ограничивает экспрессию кластера генов до 0,1-3% клеток.

RcGTA-подобные кластеры обнаруживаются в большом субкладе альфа-протеобактерий, хотя гены также, по-видимому, часто теряются в результате делеции. В последнее время несколько членов ордена Rhodobacterales Было продемонстрировано, что они продуцируют функциональные RcGTA-подобные частицы. Группы генов с гомология к RcGTA присутствуют в хромосомах различных типов альфа-протеобактерий.[7]

DsGTA (Dinoroseobacter shibae)

D. shibae, подобно R. capsulatus, является членом отряда Rhodobacterales, и его GTA имеет общего предка и многие особенности с RcGTA, включая генную организацию, упаковку коротких фрагментов ДНК (4,2 т.п.н.) и регулирование с помощью кворум-зондирования и фосфореле CtrA.[17] Однако его механизм упаковки ДНК имеет гораздо более специфичную специфику, с резкими пиками и впадинами покрытия, предполагающими, что он может предпочтительно инициировать упаковку в определенных местах генома. ДНК основного кластера генов DsGTA упакована очень плохо.

BaGTA (Бартонелла разновидность)

Бартонелла виды являются членами Alphaproteobacteria, например R. capsulatus и D. shibae, но BaGTA не имеет отношения к RcGTA и DsGTA.[18] Частицы BaGTA больше, чем RcGTA, и содержат фрагменты ДНК размером 14 т.п.н. Хотя эта емкость в принципе может позволить BaGTA упаковать и передать свой кластер GTA 14 кб, измерения покрытия ДНК показывают снижение покрытия кластера. Считается, что соседняя область с высоким охватом связана с локальной репликацией ДНК.[12]

ВШ-1 (Brachyspira hyodysenteriae)

Брахиспира это род спирохет; Было показано, что несколько видов несут гомологичные кластеры генов GTA. Частицы содержат фрагменты ДНК размером 7,5 т.п.н. Производство VSH-1 стимулируется повреждающим ДНК агентом митомицином С и некоторыми антибиотиками. Это также связано с обнаруживаемым лизисом клеток, что указывает на то, что значительная часть культуры может продуцировать VSH-1.[19]

Dd1 (Desulfovibriondesulfuricans)

D. desulfuricans почвенная бактерия в составе дельтапротеобактерий; Dd1 упаковывает фрагменты ДНК размером 13,6 т.п.н.

VTA (Methanococcus voltae)

М. voltae архей; его GTA, как известно, переносит фрагменты ДНК размером 4,4 т.п.н., но иначе не охарактеризована.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Lang AS, Westbye AB, Beatty JT (сентябрь 2017 г.). «Распределение, эволюция и роль агентов переноса генов в прокариотическом генетическом обмене». Ежегодный обзор вирусологии. 4 (1): 87–104. Дои:10.1146 / annurev-virology-101416-041624. PMID  28784044.
  2. ^ а б Ланг А.С., Жакыбаева О., Битти Дж. Т. (июнь 2012 г.). «Агенты переноса генов: фагоподобные элементы генетического обмена». Обзоры природы. Микробиология. 10 (7): 472–82. Дои:10.1038 / nrmicro2802. ЧВК  3626599. PMID  22683880.
  3. ^ а б Стэнтон ТБ (апрель 2007 г.). «Профагоподобные агенты переноса генов - новые механизмы обмена генов для видов Methanococcus, Desulfovibrio, Brachyspira и Rhodobacter». Анаэроб. 13 (2): 43–9. Дои:10.1016 / j.anaerobe.2007.03.004. PMID  17513139.
  4. ^ Grüll MP, Mulligan ME, Lang AS (октябрь 2018 г.). «Маленькие внеклеточные частицы с большим потенциалом для горизонтального переноса генов: мембранные везикулы и агенты переноса генов». Письма о микробиологии FEMS. 365 (19). Дои:10.1093 / femsle / fny192. PMID  30085064.
  5. ^ Маррс Б. (март 1974 г.). «Генетическая рекомбинация в Rhodopseudomonas capsulata». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 71 (3): 971–3. Дои:10.1073 / пнас.71.3.971. ЧВК  388139. PMID  4522805.
  6. ^ Westbye AB, Битти JT, Lang AS (август 2017 г.). «Гарантия ограниченной аудитории: скоординированное регулирование производства агента переноса гена (GTA) и способности реципиента клеточными регуляторами». Текущее мнение в микробиологии. 38: 122–129. Дои:10.1016 / j.mib.2017.05.003. PMID  28599143.
  7. ^ а б c Шакья М., Суси С.М., Жакыбаева О. (июль 2017 г.). «Понимание происхождения и эволюции агентов переноса генов α-протеобактерий». Эволюция вирусов. 3 (2): vex036. Дои:10.1093 / ve / vex036. ЧВК  5721377. PMID  29250433.
  8. ^ а б Тамарит Д., Неувонен М.М., Энгель П., Гай Л., Андерссон С.Г. (февраль 2018 г.). «Происхождение и эволюция агента переноса гена Bartonella». Молекулярная биология и эволюция. 35 (2): 451–464. Дои:10.1093 / molbev / msx299. PMID  29161442.
  9. ^ Редфилд Р.Дж., Суси С.М. (2018). «Эволюция бактериальных агентов переноса генов». Границы микробиологии. 9: 2527. Дои:10.3389 / fmicb.2018.02527. ЧВК  6209664. PMID  30410473.
  10. ^ а б Hynes AP, Mercer RG, Watton DE, Buckley CB, Lang AS (июль 2012 г.). «Смещение упаковки ДНК и дифференциальная экспрессия генов агентов переноса генов в популяции во время производства и выпуска агента переноса генов Rhodobacter capsulatus, RcGTA». Молекулярная микробиология. 85 (2): 314–25. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2012.08113.x. PMID  22640804.
  11. ^ а б Fogg PC, Westbye AB, Beatty JT (2012). Банфилд Б.В. (ред.). «Один за всех или все за одного: гетерогенная экспрессия и лизис клетки-хозяина являются ключом к активности агента переноса гена у Rhodobacter capsulatus». PLOS ONE. 7 (8): e43772. Bibcode:2012PLoSO ... 743772F. Дои:10.1371 / journal.pone.0043772. ЧВК  3423380. PMID  22916305.
  12. ^ а б Berglund EC, Frank AC, Calteau A, Vinnere Pettersson O, Granberg F, Eriksson AS, Näslund K, Holmberg M, Lindroos H, Andersson SG (июль 2009 г.). «Повторная репликация генов приспособляемости хозяина связана с агентами переноса генов в геноме мыши-инфицированной Bartonella grahamii». PLoS Genetics. 5 (7): e1000546. Дои:10.1371 / journal.pgen.1000546. ЧВК  2697382. PMID  19578403.
  13. ^ Marrs, B .; Yen, H.C .; Солиоз, М. (1975-08-01). «Выпуск и поглощение агента переноса гена Rhodopseudomonas capsulata». Журнал бактериологии. 123 (2): 651–657. ISSN  1098-5530. ЧВК  235772. PMID  1150627.
  14. ^ Brimacombe CA, Стивенс А., Джун Д., Мерсер Р., Ланг А.С., Битти Дж. Т. (февраль 2013 г.). «Регуляция рецептора капсульного полисахарида на основе определения кворума для агента переноса гена Rhodobacter capsulatus (RcGTA)». Молекулярная микробиология. 87 (4): 802–17. Дои:10,1111 / ммi.12132. ЧВК  3641046. PMID  23279213.
  15. ^ Brimacombe CA, Ding H, Johnson JA, Beatty JT (август 2015 г.). «Гомологи генов импорта ДНК генетической трансформации необходимы для способности получателя агента переноса гена Rhodobacter capsulatus, регулируемой регулятором ответа CtrA». Журнал бактериологии. 197 (16): 2653–63. Дои:10.1128 / JB.00332-15. ЧВК  4507343. PMID  26031909.
  16. ^ Вестбай А.Б., Леунг М.М., Флоризон С.М., Тейлор Т.А., Джонсон Дж. А., Фогг ПК, Битти Дж. Т. (ноябрь 2013 г.). «Концентрация фосфата и предполагаемый белок сенсорной киназы CckA модулируют лизис клеток и высвобождение агента переноса гена Rhodobacter capsulatus». Журнал бактериологии. 195 (22): 5025–40. Дои:10.1128 / JB.00669-13. ЧВК  3811591. PMID  23995641.
  17. ^ Tomasch J, Wang H, Hall AT, Patzelt D, Preusse M, Petersen J, Brinkmann H, Bunk B, Bhuju S, Jarek M, Geffers R, Lang AS, Wagner-Döbler I (январь 2018 г.). «Упаковка ДНК Dinoroseobacter shibae в частицы агента переноса гена не случайна». Геномная биология и эволюция. 10 (1): 359–369. Дои:10.1093 / gbe / evy005. ЧВК  5786225. PMID  29325123.
  18. ^ Квебат М., Кристен М., Хармс А., Кёрнер Дж., Кристен Б., Дехио С. (июнь 2017 г.). «Агент переноса гена способствует эволюционированию в наиболее приспособленной субпопуляции бактериального патогена». Сотовые системы. 4 (6): 611–621.e6. Дои:10.1016 / j.cels.2017.05.011. ЧВК  5496983. PMID  28624614.
  19. ^ Motro Y, La T, Bellgard MI, Dunn DS, Phillips ND, Hampson DJ (март 2009 г.). «Идентификация генов, связанных с профагоподобными агентами переноса генов у патогенных кишечных спирохет Brachyspira hyodysenteriae, Brachyspira pilosicoli и Brachyspira intermedia». Ветеринарная микробиология. 134 (3–4): 340–5. Дои:10.1016 / j.vetmic.2008.09.051. PMID  18950961.
  20. ^ Бертани Дж. (Май 1999 г.). «Трансдукционный перенос гена в метаногене Methanococcus voltae». Журнал бактериологии. 181 (10): 2992–3002. ЧВК  93752. PMID  10321998.