Transformare (genetică)

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 aprilie 2021; verificarea necesită 1 editare .

Transformarea ( ing.  transformare ) este procesul de absorbție a unei molecule de ADN de către o celulă bacteriană din mediul extern. Pentru a fi capabilă de transformare, o celulă trebuie să fie competentă , adică moleculele de ADN trebuie să poată pătrunde în ea prin membranele celulare. Transformarea este utilizată în mod activ în biologia moleculară și ingineria genetică .

Trebuie remarcat faptul că termenul „transformare” se referă numai la celulele bacteriene. Intrarea ADN-ului străin în celulele eucariote se numește transfecție [1] .

Istoria studiului

Fenomenul de transformare a fost observat pentru prima dată în 1928 de Frederick Griffith , care a lucrat cu pneumococi ( Streptococcus pneumoniae ). El a descoperit că tulpinile avirulente care nu au o capsulă pot obține ceva chiar și din celulele virulente moarte care au o capsulă și ca urmare devin virulente. După 16 ani, Avery, McLeod și McCarthy au arătat că același agent era ADN care conținea genele necesare formării capsulei [2] . Ei au izolat ADN-ul dintr-o tulpină virulentă de S. pneumoniae și au arătat că introducerea acestui ADN singur în celulele unei tulpini avirulente le transformă în agenți patogeni. Rezultatele lui Avery și colegii au fost inițial întâmpinate cu scepticism și, în cele din urmă, au fost recunoscute ca fiabile după descrierea fenomenului de transfer genetic de către Joshua Lederberg - conjugare (în 1947) și transducție (în 1953) [3] .

În 1970, s-a demonstrat experimental că celulele de Escherichia coli pot prelua ADN bacteriofag λ fără fag helper după ce au fost tratate cu o soluție de clorură de calciu [4] . Doi ani mai târziu, a fost demonstrată posibilitatea captării de către celule în condiții similare ale ADN-ului plasmidic [5] . Așa a fost inventată transformarea chimică. La sfârșitul anilor 1980, electroporarea a început să fie folosită pentru a transforma celulele bacteriene , care în multe cazuri s-a dovedit a fi mai eficientă decât transformarea chimică și a fost aplicabilă unui număr mai mare de tulpini [6] .

Mecanism

Multe bacterii sunt capabile de transformare, de exemplu, Streptococcus , Haemophilus , Bacillus , actinomicete , cianobacteriile și alte bacterii. Astfel, variația antigenică observată la agentul cauzator al gonoreei , Neisseria gonorrhoeae , este asigurată prin transformare, în care celulele transferă între ele gene ale diferitelor variante de pili , datorită cărora se atașează la celulele organismului gazdă [7] . În stare normală, pătrunderea moleculelor mari de ADN în celulele bacteriene este împiedicată de învelișuri dense, prin urmare, pentru a fi capabilă de transformare, celula trebuie să intre în așa-numita stare de competență. În condiții naturale, competența dobândește o parte a culturii în faza logaritmică de creștere sub influența anumitor proteine ​​(factori de competență) care acționează printr -un sistem bicomponent . Cloramfenicolul , care blochează sinteza proteinelor , previne formarea celulelor competente [8] . De asemenea, este posibil ca densitatea culturii bacteriene să joace un rol în dezvoltarea competenței, deoarece aceasta crește concentrația factorilor de competență. La Streptococcus mutans și alte specii din genul Streptococcus , transformarea are loc adesea în timpul formării biofilmului [9] . La Bacillus subtilis , mai multe gene implicate în dezvoltarea competenței sunt implicate și în sporulare . Dezvoltarea competenței în faza log se datorează lipsei de nutrienți și acumulării unui număr semnificativ de factori de competență [7] . Transformarea poate fi provocată de bacteriofagi, provocând eliberarea de ADN din celulele moarte [10] , precum și deteriorarea ADN-ului bacterian [11] . Dobândirea competenței este un proces fiziologic extrem de complex; în Bacillus subtilis , necesită exprimarea a aproximativ 40 de gene [12] .

În primul rând, celulele competente leagă ADN-ul cu suprafața lor folosind receptori speciali , iar celula se transformă mult mai ușor cu fragmente liniare decât cu cele circulare. ADN-ul este scindat de nucleaze la fragmente care cântăresc până la 4-5 milioane Da și doar unul dintre cele două lanțuri de fragmente intră în celulă. Unele bacterii, cum ar fi pneumococii și Bacillus subtilis , pot prelua ADN dintr-o varietate de surse, în timp ce altele, precum Haemophilus , pot prelua ADN-ul doar din celulele propriei specii . Fragmentele cu o masă mai mică de 500 kDa nu intră în celulă [8] [2] .

După intrarea în celulă, fragmentul monocatenar este integrat în ADN-ul genomic al celulei primitoare. Transformarea durează de la 10 la 30 de minute și în diferite bacterii are loc la o frecvență de aproximativ 1% [13] .

Înțeles

În condiții naturale, transformarea permite bacteriilor să obțină gene din exterior care le pot ajuta să se adapteze la condițiile date. Astfel, transformarea este unul dintre mecanismele transferului orizontal al genelor , alături de conjugare (schimbul de material genetic de către celule în timpul contactului fizic) și transducție, în care un fragment de ADN este transferat de către un fag [14] . Întrucât competența poate fi cauzată de deteriorarea ADN-ului și apare adesea sub acțiunea agenților care provoacă leziuni ale ADN-ului (de exemplu, la Helicobacter pylori , antibioticul ciprofloxacina induce transformarea , care stimulează formarea de ruperi dublu-catenar [15] ), transformare. poate servi ca un mecanism adaptativ care promovează repararea ADN-ului . Primind un fragment de ADN din exterior (în special de la o bacterie din aceeași specie), bacteria îl poate folosi ca șablon pentru repararea daunelor prin recombinare omoloagă [16] .

Transformarea a devenit o tehnică de rutină de biologie moleculară pentru generarea unor cantități mari de plasmidă necesară . Pentru a aduce artificial celulele într-o stare de competență, există două abordări principale: electroporația , în care celulele absorb ADN-ul după o tensiune aplicată pe termen scurt și transformarea chimică, în care celulele sunt expuse la diferite săruri de ioni divalenti , cum ar fi clorura de calciu . [2] [17] .

Note

  1. ↑ Transfecția . Ghid de protocoale și aplicații . Promega.
  2. ↑ 1 2 3 Dale & Park, 2004 , p. 167.
  3. ↑ Lederberg J. The transformation of genetics by DNA: an anniversary celebration of Avery, MacLeod and McCarty (1944).  (engleză)  // Genetică. - 1994. - Februarie ( vol. 136 , nr. 2 ). - P. 423-426 . — PMID 8150273 .
  4. ↑ Mandel M. , Higa A. Calcium-dependent bacteriophage DNA infectie.  (Engleză)  // Journal Of Molecular Biology. - 1970. - 14 octombrie ( vol. 53 , nr. 1 ). - P. 159-162 . — PMID 4922220 .
  5. ↑ Cohen SN , Chang AC , Hsu L. Rezistența la antibiotice noncromozomiale în bacterii: transformarea genetică a Escherichia coli prin ADN-ul factorului R.  (engleză)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 1972. - August ( vol. 69 , nr. 8 ). - P. 2110-2114 . — PMID 4559594 .
  6. ↑ Wirth R. , Friesenegger A. , ​​Fiedler S. Transformarea diferitelor specii de bacterii gram-negative aparținând la 11 genuri diferite prin electroporare.  (Engleză)  // Genetică moleculară și generală: MGG. - 1989. - Martie ( vol. 216 , nr. 1 ). - P. 175-177 . — PMID 2659971 .
  7. ↑ 12 Dale & Park, 2004 , p. 166.
  8. ↑ 1 2 Inge-Vechtomov, 2010 , p. 250.
  9. ↑ Aspiras MB , Ellen RP , Cvitkovitch DG ComX Activitatea Streptococcus mutans care crește în biofilme.  (Engleză)  // FEMS Microbiology Letters. - 2004. - 1 septembrie ( vol. 238 , nr. 1 ). - P. 167-174 . - doi : 10.1016/j.femsle.2004.07.032 . — PMID 15336418 .
  10. ^ Keen EC , Bliskovsky VV , Malagon F. , Baker JD , Prince JS , Klaus JS , Adhya SL Novel "Superspreader" Bacteriophages Promove Horizontal Gene Transfer by Transformation. (engleză)  // MBio. - 2017. - 17 ianuarie ( vol. 8 , nr. 1 ). - doi : 10.1128/mBio.02115-16 . — PMID 28096488 .  
  11. ↑ Claverys JP , Prudhomme M. , Martin B. Inducerea regulilor de competență ca răspuns general la stres în bacteriile gram-pozitive.  (Engleză)  // Revizuirea anuală a microbiologiei. - 2006. - Vol. 60 . - P. 451-475 . - doi : 10.1146/annurev.micro.60.080805.142139 . — PMID 16771651 .
  12. ↑ Solomon JM , Grossman AD Cine este competent și când: reglementarea competenței genetice naturale în bacterii.  (Engleză)  // Tendințe în genetică : TIG. - 1996. - Aprilie ( vol. 12 , nr. 4 ). - P. 150-155 . — PMID 8901420 .
  13. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , p. 250-251.
  14. ↑ Johnston C. , Martin B. , Fichant G. , Polard P. , Claverys JP Transformare bacteriană: distribuție, mecanisme partajate și control divergent.  (engleză)  // Nature Reviews. microbiologie. - 2014. - martie ( vol. 12 , nr. 3 ). - P. 181-196 . - doi : 10.1038/nrmicro3199 . — PMID 24509783 .
  15. ↑ Dorer MS , Fero J. , Salama NR Afectarea ADN-ului declanșează schimbul genetic în Helicobacter pylori.  (Engleză)  // PLoS Patogeni. - 2010. - 29 iulie ( vol. 6 , nr. 7 ). - P. e1001026-1001026 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001026 . — PMID 20686662 .
  16. ↑ Bernstein H., Bernstein C., Michod RE Capitolul 1: Repararea ADN-ului ca funcție adaptativă primară a sexului la bacterii și eucariote // ADN Repair: New Research  (neopr.) / Kimura S., Shimizu S.. - Nova Sci . Publ., Hauppauge, NY, 2012. pp. 1-49. — ISBN 978-1-62100-808-8 . Copie arhivată (link indisponibil) . Consultat la 16 noiembrie 2018. Arhivat din original la 29 octombrie 2013. 
  17. ↑ Donahue RA, Bloom FR Transformare în volum mare cu celule competente din punct de vedere chimic cu eficiență mare  //  Focus : jurnal. - 1998. - iulie ( vol. 20 , nr. 2 ). - P. 54-56 .

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii