11. Horyzontalny transfer genów

Prof. dr hab. inż. Korneliusz Miksch

Silesian University of Technology, Gliwice, Poland

Environmental Biotechnology Department

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Horyzontalny transfer genów

Terminem horyzontalny (lub lateralny) transfer

genów (HGT, ang. Horizontal gene transfer)
określamy proces, który polega na nabywaniu genów
przez organizm w procesie innym niż otrzymanie ich
od organizmu rodzicielskiego w wyniku różnego typu
rozmnażania, w tym także prostego podziału
organizmu jednokomórkowego (np. bakterii), czyli
transferu wertykalnego (pionowego).

Zjawisko horyzontalnego transferu genów jest

szczególnie

rozpowszechnione

u

bakterii

i

archeonów, u których przenoszenie genów może się
odbywać za pośrednictwem plazmidów (koniugacja) i
bakteriofagów (transdukcja) lub pobieranie DNA
bezpośrednio ze środowiska (transformacja).

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Plazmidy

Wiele

bakterii

może

być

nośnikami

pozachromosomowych cząsteczek DNA – plazmidów.
Te małe (w stosunku do chromosomu bakteryjnego),
najczęściej

koliste,

kowalencyjne

zamknięte

dwuniciowe cząsteczki DNA nie są istotne dla wzrostu
bakterii w standardowych warunkach. Komórki
pozbawione plazmidu rosną bez zakłóceń w zwykłych
pożywkach. Plazmidy nadają komórkom gospodarza
cechy specyficzne.
Plazmidy są szeroko rozpowszechnione wśród bakterii.
Niejednokrotnie nie kodują one żadnych cech
zmieniających fenotyp gospodarza. Ponieważ nie
dostrzegamy żadnych skutków ich obecności w
komórce, nazywamy je kryptycznymi. Metody
selekcji plazmidów, kodujących oprócz funkcji
replikacyjnych inne możliwe do rozpoznania cechy
fenotypowe, są różne i zależne od charakteru danej
cechy

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Plazmidy opornościowe.

Pierwsze doniesienie o bakteriach opornych na kilka

antybiotyków miało miejsce w 1950 r. i dotyczyło
bakterii wywołującej biegunkę, Shigella, izolowanej od
pacjentów

poddanych

kuracji

antybiotykowej.

Zauważono, że bakterie te były oporne na kilka
różnych antybiotyków i właściwość ta mogła być
przeniesiona do innych bakterii, z E.coli włącznie,
przez bezpośredni kontakt komórek. Plazmidy
opornościowe (R, ang. resistance – oporność)
zawierają geny odpowiedzialne za oporność bakterii
na

sulfonamidy,

streptomycynę,

chloramfenikol,

kanamycynę i tetracyklinę. Niektóre plazmidy wnoszą
równocześnie

oporność

na

wiele

różnych

antybiotyków. Inne są przyczyną oporności na
toksyczne metale ciężkie, jak rtęć, nikiel, kobalt,
kadm, rtęć, cynk, chrom, arsen, antymon, telur i
srebro.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Plazmidy opornościowe.

Mechanizmy plazmidowej i chromosomowej oporności
bakterii na antybiotyki są różne. W większości
przypadków plazmidowa oporność na antybiotyki
zależy

od

ich

enzymatycznych

modyfikacji:

chloramfenikol jest acetylowany, kanamycyna i
neomycyna są fosforylowane lub acetylowane, a
penicylina – hydrolizowana przez penicylinazy.
Powszechne stosowanie antybiotyków w lecznictwie,
szczególnie

w

zamkniętym,

doprowadziło

do

rozprzestrzenienia

się

plazmidów

R

wśród

chorobotwórczych bakterii oraz do selekcji i
namnożeniu bakterii opornych na antybiotyki.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Plazmidy opornościowe.

 

Bakterie oporne na metale ciężkie mogą być
izolowane z gleby lub z wód, które je zawierają w
sposób

w

sposób

naturalny

lub

są

nimi

zanieczyszczone. Bakterie oporne rzadko są
izolowane z gleb nie zawierających metali.
Genetyczna informacja kodująca oporność na metale
ciężkie może być chromosomowa lub plazmidowa.
Oporność ta może być oparta na aktywności ATPazy
albo na transporcie (antyporcie) toksycznych jonów
na zewnątrz komórki. Zależność rozprzestrzeniania
się bakterii opornych na metale ciężkie od
środowiska wskazuje na istotną rolę nacisku
selekcyjnego w utrzymaniu genetycznej informacji w
ekosystemie.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

 

Plazmidy degradacyjne

Z bakterii żyjących w zanieczyszczonych glebach,
wodach i osadach dennych izolowano plazmidy
zawierające geny, które kodują szlaki metaboliczne
odpowiedzialne za degradację zarówno prostych
związków organicznych, jak np. alifatyczne (oktan),
jednopierścieniowe węglowodory aromatyczne (fenol,
toluen), związki aromatyczne wielopierścieniowe
(naftalen, bifenyl) i heterocykliczne (nikotyna), jak i
ich toksyczne chloropochodne. Plazmidy takie
określamy ogólną nazwą plazmidów degradacyjnych
lub katabolicznych. Czasami plazmidy kodują enzymy
katalizujące rozkład substancji syntetyzowanych
chemicznie i nie występujących naturalnie w
biosferze (ksenobiotyków). Do tej grupy należy wiele
aromatycznych i heterocyklicznych związków z
podstawnikami halogenowymi, włączając herbicydy
oraz związki grzybo- i owadobójcze, które mogą być
rozkładane

jedynie

przez

bakterie

niosące

degradacyjne plazmidy.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Plazmidy degradacyjne (tabela)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transfer plazmidów

Plazmidy mogą być przenoszone z komórki

bakteryjnej, która je posiada (dawcy), do komórki
pozbawionej tych elementów (biorcy), w wyniku
trzech podstawowych mechanizmów: koniugacji,
transformacji i transdukcji. Koniugacja jest
procesem

horyzontalnego

transferu

genów

najbardziej charakterystycznym dla plazmidów, gdyż
to właśnie plazmidy niosą determinanty genetyczne
tego procesu, a więc warunkują jego zajście.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Koniugacja

Koniugacja, odmiennie od transdukcji i transformacji,
jest procesem wymagającym bezwzględnie
bezpośredniego kontaktu fizjologicznie aktywnych
partnerów, komórek dawcy i biorcy, miedzy którymi
następuję przekazanie DNA w kierunku od dawcy do
biorcy. Wskutek tego powstaje transkoniugant, możliwy
do odróżnienia od dawcy i biorcy materiału
genetycznego, w wyniku odpowiedniej selekcji.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Koniugacja

Warunkiem koniecznym, aby komórka bakterii lub
archeona mogła być dawcą materiału genetycznego w
procesie koniugacji, jest obecność w niej plazmidu
koniugacyjnego.

Plazmid

koniugacyjny

może

pośredniczyć w procesie koniugacji będąc w stanie
autonomicznym, wtedy zostaje przekazany jego własny
genom, a w pewnych przypadkach także genom innego
plazmidu współwystępującego w tej samej komórce. Gdy
plazmid jest zintegrowany, trwale bądź przejściowo, z
chromosomem bakteryjnym, może on także pośredniczyć
w przekazywaniu genów chromosomowych.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transformacja

Transformacja jest procesem, podczas którego komórka
biorcy pobiera wolny DNA z otaczającego środowiska.
Transformacja niektórych gatunków może zachodzić w
środowisku naturalnym (transformacja naturalna), ale
transformacja większości bakterii wymaga specjalnych
zabiegów, możliwych jedynie w laboratorium. Naturalną
transformację obserwowano u różnych bakterii i w
różnych środowiskach, z których kilka jest wymienionych
w tabeli 6.3. W naturalnym środowisku transformacja nie
jest tak częsta jak koniugacja. Możliwość zajścia tego
procesu

znacznie

zwiększa

adsorpcja

DNA

na

cząsteczkach piasku lub gliny, co chroni go przed
degradacją nukleolityczną, a także wzrost bakterii
biorców w postaci biofilmu.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transformacja (tabela)

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transformacja sztuczna

Proces transformacji jest szeroko wykorzystywany w
inżynierii genetycznej do klonowanie genów, kiedy to
wektor użyty do klonowania, najczęściej plazmidowy,
niosący odpowiednią wstawkę egzogennego DNA,
wprowadzamy do wybranego szczepu biorcy. W
warunkach laboratoryjnych jest to proces technicznie
prosty. Oczyszczony DNA plazmidowy dodajemy do
odpowiednio

przygotowanej

(poprzez

traktowanie

czynnikami chemicznymi w niskiej temperaturze)
zawiesiny komórek biorcy i po inkubacji selekcjonujemy
klony, które pobrały ten egzogenny DNA.

http://kbs.ise.polsl.pl

Environmental Biotechnology Department, SUT

Transdukcja

Transdukcją nazywamy proces, w którym przenoszenie
materiału genetycznego od dawcy do biorcy następuje z
udziałem bakteriofagów. W kapsydach fagowych może
być przenoszony DNA chromosomowy lub plazmidowy. W
pierwszym przypadku przenoszony materiał genetyczny
zostaje wbudowany, w wyniku rekombinacji do
chromosomu bakteryjnego lub innych elementów
genetycznych znajdujących się w komórce bakteryjnej i
jest przekazywany do komórek potomnych. Niektóre fagi
są zdolne do przenoszenia na drodze trasdukcji, z niską
częstością, dowolnej cechy chromosomowej, podczas gdy
inne przenoszą tylko kilka określonych cech. Pierwszy
typ transdukcji nazwano transdukcją ogólną, a drugi –
transdukcją specyficzną

.