Инструменты пользователя

Инструменты сайта


Боковая панель

2016:08:07:горизонтальный-перенос-генов

Горизонтальный перенос генов

Горизонтальный перенос генов – это перенос фрагментов ДНК любой величины как между близкородственными, так и филогенетически отдаленными группами организмов, принадлежащими даже к различным царствам по классификации биологических видов. У прокариот (например, бактерий) горизонтальный перенос считается одним из важнейших механизмов достижения генетического разнообразия. Для эукариот (живых организмов, в клетках которых есть ядро) этот тип обмена генетической информацией до недавнего времени считался лишь гипотетически возможным.

Эволюционная роль малых фрагментов ДНК

На протяжении долгого времени вертикальный перенос генов (путем прямого обмена ДНК между организмами одного вида в результате полового процесса) считался единственным способом передачи генетической информации. Тем не менее, открытие у бактерий процесса трансдукции и переноса генов через небольшие кольцевые молекулы ДНК – плазмиды, – получившего название трансформация, заставило признать существование и горизонтального переноса. Горизонтальный перенос генов – главный инструмент быстрого приобретения и возникновения новых генов, способных радикально изменить свойства клеток, расширить их адаптационный потенциал. Так, у бактерий именно этот механизм играет определяющую роль в процессах формирования устойчивости к антибиотикам. Изменчивость организмов в результате горизонтальной передачи генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации – процессы коньюгации, трансдукции, трансформации, процессы переноса генов в составе векторов – плазмид, вирусов, мобильных элементов. Активный перенос генов может происходить в симбиотических, паразитарных или ассоциативных системах, где осуществляется физический контакт клеток.

Генноинженерная манипуляция как пример горизонтального переноса генов. Генная иммунизация с помощью плазмиды, содержащей лишь отдельные гены вируса гепатита

В сущности, современная генетическая инженерия, использующая разного типа векторы, базируется на принципах горизонтального переноса генов, хотя еще недавно не было четкого понимания того, что такого рода генная инженерия широко распространена в природе и играет важную роль в эволюции. И только работы в области геномики в последние 10 лет доказали, что горизонтальный перенос генов был и остается (особенно в мире прокариот) одним из главных механизмов видообразования. Конечно, в ходе вертикальной эволюции повышалась степень автономизации организмов, возникали и совершенствовались барьеры, препятствующие горизонтальным генным переносам и «размыванию» геномов.

Структура мобильных генетических элементов (по: Lander et. al. 2001). HERV – эндогенный ретровирус человека

Это касалось и ограничения контактов между организмами, механизмов проникновения и транспортировки молекул ДНК, действия систем рестрикции, разрушающих «чужую» ДНК, репаративных механизмов, обеспечивающих стабильность собственных геномов. Поэтому частота горизонтальных переносов была наиболее высокой на ранних этапах становления биосферы и снижалась по мере эволюции высших эукариот с усложнением организации генетического аппарата и развитием систем репродуктивной изоляции.

Горизонтальный перенос генов у бактерий и архей

Примеры горизонтального переноса генов у эукариот

Геном морского организма асцидии Ciona intestinalis несет ген Ci-CesA, не имеющий гомологов среди эукариот и приобретенный, по всей видимости, от целлюлозо-разлагающих бактерий посредством горизонтального переноса. Опубликованы исследования о переносе фрагментов ДНК прокариотных ядерных паразитов в геном инфузорий. Иллюстрацией горизонтального переноса генов у насекомых может служить статья, опубликованная биологами из Университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси, США в журнале Science за июль 2013 года. Изучая ос и их кишечных микробов, авторам удалось показать, что эти микроорганизмы не просто используют организм хозяина для жизни, но и влияют на эволюцию вида, в котором обитают. В других работах изучались жуки, которые могут переваривать ягоды кофе благодаря ферментам, кодируемым генами, полученными их предками в процессе эволюции от бактерий. Нематоды (круглые черви) также нередко приобретают новые гены от микроорганизмов и растений.

Многообразие коловраток

В 2008 году был описан первый уникальный случай массового горизонтального переноса генов. Ученые обнаружили, что микроскопические пресноводные животные – бделлоидные коловратки (bdelloid rotifer) – постоянно заимствуют гены от бактерий, грибов и даже растений. Многие миллионы лет эти организмы размножаются и эволюционируют, изменяя свой генотип не с помощью мутаций или двуполого размножения, а встраивая в свои гены куски чужеродных ДНК от других организмов. Одно из предположений о механизмах такого явления – особенности образа жизни этих самых мелких многоклеточных животных на планете. В период засухи коловратки впадают в анабиоз; попадая снова в воду, они «ремонтируют» поврежденные молекулы, в том числе и ДНК, заимствуя для этого чужеродный материал.

В марте 2015 года в журнале Genome Biology были опубликованы данные о горизонтальном переносе генов у приматов. В своих исследованиях сотрудники кафедры химической инженерии и биотехнологии Кембриджа изучали геномы 4 видов нематод, 12 видов плодовых мух, и 10 видов приматов, включая человека. Они сравнивали геномы близкородственных видов, и оценивали вероятность приобретения отдельных генов с помощью горизонтального переноса, а также давность их приобретения. В частности, они обнаружили 17 ранее известных генов в организме человека, которые были приобретены через горизонтальный перенос, и определили еще 128 генов, приобретенных с помощью горизонтального переноса, которые ранее не были известны. Было доказано, что один из самых известных генов – ген ABO, определяющий группу крови индивидуума, был приобретен позвоночными через горизонтальный перенос генов. Большинство обнаруженных «горизонтальных» генов отвечают за выработку ферментов, участвующих в метаболизме: в расщеплении молекул жиров и аминокислот, в различных иммунных процессах, модификациях белка и работе антиоксидантной системы. Ученые также выяснили, откуда именно пришли эти гены. Наиболее распространенными донорами были названы бактерии и другие типы простейших микроорганизмов. На втором месте в списке доноров оказались представители царства грибов, а также вирусы.

Видео: Горизонтальный перенос генов у эукариот. Лекция Ирины Сормачевой, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск

Источники

2016/08/07/горизонтальный-перенос-генов.txt · Последние изменения: 2016/08/15 15:56 — admin