Horyzontalny transfer genów (HGT) — co to jest i dlaczego ma znaczenie
Horyzontalny transfer genów (HGT) — jak przekazy genów między organizmami kształtują ewolucję, odporność i inżynierię genetyczną. Dowiedz się, dlaczego ma znaczenie.
Horyzontalny transfer genów (HGT) (lub Lateralny transfer genów) to proces, w którym organizm otrzymuje materiał genetyczny od innego organizmu, nie będąc potomstwem tego organizmu.
Natomiast transfer pionowy ma miejsce, gdy organizm otrzymuje materiał genetyczny od swojego przodka, np. rodzica lub gatunku, z którego wyewoluował.
Większość myśli w genetyce skupiła się na pionowym transferze, ale rośnie świadomość, że poziomy transfer genów jest znaczącym zjawiskiem. Wśród organizmów jednokomórkowych może on być dominującą formą transferu genetycznego. Sztuczny horyzontalny transfer genów jest formą inżynierii genetycznej.
Jak dochodzi do HGT — główne mechanizmy
- Konjugacja — bezpośredni transfer DNA między komórkami (np. poprzez mostek pilus w bakteriach), najczęściej przenoszone są plazmidy niosące geny oporności na antybiotyki.
- Transformacja — pobranie wolnego DNA z otoczenia i jego wbudowanie do genomu biorcy; zachodzi u wielu bakterii i niektórych eukariontów.
- Transdukcja — przenoszenie DNA przez bakteriofagi (wirusy bakteryjne), które podczas zakażania mogą przenosić fragmenty genomu jednej bakterii do innej.
- Transfer przez elementy mobilne — transpozony, integrony i inne elementy ruchome przesuwają geny wewnątrz genomu lub między organizmami.
- Endosymbioza i fuzje komórkowe — zdarzenia długoterminowe, np. początkowe nabycie mitochondriów i chloroplastów (stare przykłady transferu genów między organizmami eukariotycznymi i prokariotycznymi).
- HGT międzykrólestwowy — rzadziej, ale udokumentowany (np. bakteryjne geny w genomach roślin lub zwierząt).
Przykłady i znaczenie biologiczne
- Rozprzestrzenianie się oporności na antybiotyki w populacjach bakterii jest klasycznym przykładem HGT o bezpośrednich konsekwencjach zdrowotnych — geny oporności często znajdują się na plazmidach przenoszonych koniugacyjnie.
- W roślinach naturalne transfery (np. przez Agrobacterium tumefaciens) zostały wykorzystane w biotechnologii do wprowadzania genów — to przykład, jak zjawisko naturalne inspiruje metody inżynierii genetycznej.
- U eukariontów zdarzenia HGT mogą nadawać nowe funkcje metaboliczne — np. pewne bezkręgowce przejęły geny od mikroorganizmów, co pozwoliło im trawić specyficzne substancje.
- HGT odgrywa istotną rolę w ewolucji mikrobiomu i adaptacji mikroorganizmów do nowych nisz środowiskowych.
Jak wykrywa się HGT?
- Analiza filogenetyczna — gen o pochodzeniu niezgodnym z drzewem gatunkowym (np. gen bakteryjny w genomie eukarionta) sugeruje HGT.
- Różnice w składzie nukleotydowym — zmienione GC%, specyficzne wzorce kodonów lub skok w rozmieszczeniu genów mogą wskazywać na obcy fragment DNA.
- Obecność genów na plazmidach, integronach lub w sąsiedztwie sekwencji ruchomych elementów — typowy znak transferu poziomego.
- Metody laboratoryjne — eksperymenty transformacji, sekwencjonowanie metagenomiczne i porównania genomowe pomagają wykrywać i potwierdzać zdarzenia HGT.
Konsekwencje dla badań i praktyki
- Konfundowanie drzew filogenetycznych — HGT utrudnia rekonstrukcję historii ewolucyjnej, gdy geny mają różne pochodzenie niż genom gospodarza.
- Problemy zdrowotne — szybkie rozprzestrzenianie genów oporności i czynników wirulencji w patogenach.
- Biotechnologia i rolnictwo — możliwość projektowania transferów genów, ale też ryzyko niezamierzonego rozprzestrzeniania się transgenów.
- Ekologia mikrobiologiczna — HGT wpływa na funkcje ekosystemów poprzez rozprzestrzenianie cech metabolicznych w społecznościach mikroorganizmów.
Krótko podsumowując
Horyzontalny transfer genów to powszechne i biologicznie ważne zjawisko, szczególnie u mikroorganizmów. Umożliwia szybkie nabywanie nowych cech, ma kluczowe znaczenie w ewolucji, ekologii i medycynie oraz niesie zarówno korzyści (narzędzia biotechnologiczne), jak i zagrożenia (rozprzestrzenianie oporności). Zrozumienie mechanizmów i skutków HGT jest niezbędne do interpretacji danych genomowych oraz do odpowiedzialnego stosowania inżynierii genetycznej.
Mechanizm
Istnieje kilka mechanizmów horyzontalnego transferu genów:
- Transformacja, genetyczna zmiana komórki wynikająca z wprowadzenia, pobrania i ekspresji obcego materiału genetycznego (DNA lub RNA). Proces ten jest stosunkowo powszechny u bakterii, ale w mniejszym stopniu u eukariotów. Transformacja jest często wykorzystywana w laboratoriach do wprowadzania nowych genów do bakterii w celach eksperymentalnych lub do zastosowań przemysłowych i medycznych.
- Transdukcja, proces, w którym DNA bakterii jest przenoszone z jednej bakterii do drugiej przez wirusa bakteryjnego (bakteriofaga, lub "faga").
- Koniugacja bakteryjna, proces, w którym komórka bakteryjna przenosi materiał genetyczny do innej komórki poprzez kontakt komórka-komórka.
- Czynnik transferu genów lub "GTA" jest elementem wirusopodobnym, który zawiera przypadkowe fragmenty chromosomu gospodarza. Występują one u większości członków alfaproteobakterii z rzędu Rhodobacterales. Są one kodowane przez genom gospodarza. GTA przenoszą DNA tak często, że mogą pełnić ważną rolę w ewolucji.
Raport z 2010 roku wykazał, że geny oporności na
antybiotyki mogą być przenoszone poprzez inżynierię GTA w laboratorium. - Integrony - bakteryjny "zestaw" do przenoszenia kaset genowych.
Historia
Horyzontalny transfer genów został po raz pierwszy opisany w Japonii w publikacji z 1959 r., w której wykazano przenoszenie oporności na antybiotyki pomiędzy różnymi gatunkami bakterii.
W połowie lat 80. Syvanen zasugerował, że boczny transfer genów nie tylko ma znaczenie biologiczne, ale jest zaangażowany w kształtowanie historii ewolucji od początku życia na Ziemi.
"Coraz częściej badania genów i genomów wskazują, że między prokariotami doszło do znacznego transferu horyzontalnego". Wydaje się, że zjawisko to miało również pewne znaczenie dla jednokomórkowych eukariotów. Jak zauważają Bapteste i in., "dodatkowe dowody sugerują, że transfer genów może być również ważnym mechanizmem ewolucyjnym w ewolucji protistów".
Istnieją pewne dowody na to, że ucierpiały nawet wyższe rośliny i zwierzęta. Richardson i Palmer (2007) stwierdzają: "Horyzontalny transfer genów (HGT) odegrał istotną rolę w ewolucji bakterii i jest dość powszechny u niektórych jednokomórkowych eukariotów. Jednak częstość występowania i znaczenie HGT w ewolucji wielokomórkowych eukariotów pozostaje niejasna".
Pytania i odpowiedzi
P: Czym jest horyzontalny transfer genów?
O: Horyzontalny transfer genów to proces, w którym organizm nabywa materiał genetyczny od innego organizmu, który nie jest jego potomstwem.
P: Czym różni się horyzontalny transfer genów od transferu wertykalnego?
O: Transfer wertykalny ma miejsce, gdy organizm otrzymuje materiał genetyczny od swojego przodka, podczas gdy horyzontalny transfer genów ma miejsce, gdy organizm nabywa materiał genetyczny od innego organizmu, który nie jest jego potomkiem.
P: Na czym skupia się większość rozważań w genetyce?
O: Większość rozważań w genetyce koncentrowała się na transferze pionowym.
P: Dlaczego horyzontalny transfer genów jest istotnym zjawiskiem?
Horyzontalny transfer genów jest istotnym zjawiskiem, ponieważ wśród organizmów jednokomórkowych może być dominującą formą transferu genetycznego.
P: Czym jest sztuczny horyzontalny transfer genów?
Sztuczny horyzontalny transfer genów jest rodzajem inżynierii genetycznej, która obejmuje celowe przenoszenie materiału genetycznego z jednego organizmu do drugiego.
P: Czy horyzontalny transfer genów może zachodzić między organizmami różnych gatunków?
O: Tak, horyzontalny transfer genów może zachodzić między organizmami różnych gatunków.
P: Czy wszystkie organizmy doświadczają horyzontalnego transferu genów?
O: Nie, tylko niektóre organizmy doświadczają horyzontalnego transferu genów, w szczególności organizmy jednokomórkowe.
Przeszukaj encyklopedię