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

.