Bakteriel konjugering - Bacterial conjugation

Bakteriel konjugering er overførsel af genetisk materiale mellem bakterieceller ved direkte celle-til-celle kontakt eller ved en brolignende forbindelse mellem to celler. Dette foregår gennem en pilus . Det er en paraseksuel formering for bakterier.

Det er en mekanisme for vandret genoverførsel, ligesom transformation og transduktion er, selvom disse to andre mekanismer ikke involverer celle-til-celle-kontakt.

Klassisk E. coli -bakteriel konjugering betragtes ofte som den bakterielle ækvivalent til seksuel reproduktion eller parring, da det involverer udveksling af genetisk materiale. Det er imidlertid ikke seksuel reproduktion, da der ikke sker nogen udveksling af kønsceller, og faktisk ingen generation af en ny organisme : i stedet transformeres en eksisterende organisme. Under klassisk E. coli -konjugering giver donorcellen et konjugerende eller mobiliserbart genetisk element, der oftest er et plasmid eller transposon . De fleste konjugerende plasmider har systemer, der sikrer, at modtagercellen ikke allerede indeholder et lignende element.

De overførte genetiske oplysninger er ofte gavnlige for modtageren. Fordele kan omfatte antibiotikaresistens , xenobiotisk tolerance eller evnen til at bruge nye metabolitter . Andre elementer kan være skadelige og kan ses som bakterielle parasitter .

Konjugering i Escherichia coli ved spontan zygogenesis og i Mycobacterium smegmatis ved distributiv konjugationsoverførsel afvige fra den bedre studerede klassisk E. coli konjugering ved, at disse tilfælde involverer væsentlig blanding af de parentale genomer .

Historie

Processen blev opdaget af Joshua Lederberg og Edward Tatum i 1946.

Mekanisme

Skematisk tegning af bakteriekonjugering.

Bøjningsdiagram

  1. Donorcelle producerer pilus .
  2. Pilus knytter sig til modtagercelle og bringer de to celler sammen.
  3. Det mobile plasmid nikkes, og en enkelt streng af DNA overføres derefter til modtagercellen.
  4. Begge celler syntetiserer en komplementær streng for at producere et dobbeltstrenget cirkulært plasmid og reproducerer også pili; begge celler er nu levedygtige donor for F-faktoren.

The F-plasmidet er et episom (et plasmid, som kan integrere sig i det bakterielle kromosom ved homolog rekombination ) med en længde på ca. 100 kb . Den bærer sit eget replikationsoprindelse , oriV og oprindelse for overførsel eller oriT . Der kan kun være én kopi af F-plasmidet i en given bakterie, enten gratis eller integreret, og bakterier, der besidder en kopi, kaldes F-positive eller F-plus (betegnet F + ). Celler, der mangler F-plasmider kaldes F-negative eller F-minus (F - ) og som sådan kan fungere som recipientceller.

Blandt andre genetiske oplysninger bærer F-plasmidet et tra og trb locus , som tilsammen er cirka 33 kb lange og består af omkring 40 gener . Den tra locus omfatter pilin -genet og regulatoriske gener, som tilsammen udgør pili på celleoverfladen. Lokuset omfatter også generne for de proteiner, der fæstner sig til overfladen af ​​F - bakterier og starter konjugering. Selvom der er en vis debat om den nøjagtige konjugationsmekanisme, ser det ud til, at pili ikke er de strukturer, gennem hvilke DNA -udveksling sker. Dette er blevet vist i forsøg, hvor pilus får lov at komme i kontakt, men derefter denatureres med SDS, og alligevel fortsætter DNA -transformation. Adskillige proteiner kodes for i tra eller TRB locus synes at åbne en kanal mellem bakterierne og det menes, at trad enzym, placeret i bunden af pilus, initierer membranfusion.

Når konjugation initieres af et signal den relaxase enzym skaber et nick på en af strengene af konjugative plasmid ved oriT . Relaxase kan virke alene eller i et kompleks med over et dusin proteiner, der samlet set kaldes et relaxosom . I F-plasmidsystemet kaldes relaxaseenzymet TraI, og relaxosomet består af TraI, TraY, TraM og den integrerede værtsfaktor IHF. Den nikkede streng, eller T-streng , vikles derefter ud fra den ubrudte streng og overføres til modtagercellen i en 5'-terminal til 3'-terminal retning. Den resterende streng replikeres enten uafhængigt af konjugativ handling (vegetativ replikation, der begynder ved oriV ) eller i samklang med konjugation (konjugativ replikation svarende til den cirkulære replikation af lambda -fag ). Konjugativ replikation kan kræve et andet nick, før en vellykket overførsel kan forekomme. En nylig rapport hævder at have hæmmet konjugering med kemikalier, der efterligner et mellemliggende trin i denne anden nicking -begivenhed.

1.Copolymerer insertionssekvenser (gul) på både F-faktoren plasmidet og kromosomet har lignende sekvenser, således at F-faktoren til at indsætte sig selv i genomet af cellen. Dette kaldes homolog rekombination og skaber en Hfr -celle (høj frekvens af rekombination). 2. Hfr-cellen danner en pilus og knytter sig til en modtager-F-celle. 3. Et nick i den ene streng af Hfr -cellens kromosom dannes. 4. DNA begynder at blive overført fra Hfr -cellen til modtagercellen, mens den anden streng af dets kromosom replikeres. 5. Pilus løsner sig fra modtagercellen og trækker sig tilbage. Hfr -cellen ønsker ideelt set at overføre hele sit genom til modtagercellen. På grund af dens store størrelse og manglende evne til at holde kontakten med modtagercellen er den imidlertid ikke i stand til at gøre det. 6.a. F-cellen forbliver F- fordi hele F-faktorsekvensen ikke blev modtaget. Da der ikke forekom nogen homolog rekombination, nedbrydes det DNA, der blev overført, af enzymer. b. I meget sjældne tilfælde vil F-faktoren blive fuldstændigt overført, og F-cellen bliver en Hfr-celle.

Hvis det F-plasmid, der overføres, tidligere er blevet integreret i donorens genom (producerer en Hfr-stamme ["High Frequency of Recombination"]) kan nogle af donorens kromosomale DNA også overføres med plasmid-DNA'et. Mængden af ​​kromosomalt DNA, der overføres, afhænger af, hvor længe de to konjugerende bakterier forbliver i kontakt. I almindelige laboratoriestammer af E. coli tager overførslen af ​​hele bakteriekromosomet ca. 100 minutter. Det overførte DNA kan derefter integreres i modtagergenomet via homolog rekombination .

En cellekultur, der i sin befolkning indeholder celler med ikke-integrerede F-plasmider, indeholder normalt også få celler, der ved et uheld har integreret deres plasmider. Det er disse celler, der er ansvarlige for de lavfrekvente kromosomale genoverførsler, der forekommer i sådanne kulturer. Nogle bakteriestammer med et integreret F-plasmid kan isoleres og dyrkes i ren kultur. Fordi sådanne stammer overføre kromosomale gener meget effektivt de kaldes Hfr ( h ø j f requency af r ecombination). Den E. coli -genomet blev oprindeligt kortlagt ved afbrudte parringseksperimenter hvor forskellige Hfr celler i færd med konjugering blev afklippet fra recipienter efter mindre end 100 minutter (først under anvendelse af en Waring-blender). De gener, der blev overført, blev derefter undersøgt.

Da integration af F-plasmidet i E. coli- kromosomet er en sjælden spontan forekomst, og da de mange gener, der fremmer DNA-overførsel, er i plasmidgenomet frem for i bakteriegenomet, er det blevet hævdet, at konjugerende bakteriel genoverførsel, som det forekommer i E. coli Hfr -systemet, er ikke en evolutionær tilpasning af bakterieværten, og det er heller ikke sandsynligt forfædre til eukaryot sex.

Spontan zygogenese i E. coli

Ud over klassisk bakteriekonjugering beskrevet ovenfor for E. coli , observeres en form for konjugering omtalt som spontan zygogenese (Z-parring for kort) i visse stammer af E. coli . I Z-parring der er fuldstændig genetisk blanding og ustabile diploider dannes at kaste fænotypisk haploide celler, hvoraf nogle viser en parental fænotype og nogle er sande rekombinanter .

Ægteskabelig overførsel i mykobakterier

Konjugering i Mycobacteria smegmatis , ligesom konjugering i E. coli , kræver stabil og forlænget kontakt mellem en donor og en modtagerstamme, er DNase -resistent, og det overførte DNA inkorporeres i modtagerens kromosom ved homolog rekombination. I modsætning til E. coli Hfr -konjugering er mycobakteriel konjugation imidlertid kromosom frem for plasmidbaseret. I modsætning til E. coli Hfr -konjugering overføres der i M. smegmatis desuden alle områder af kromosomet med sammenlignelige effektiviteter. Donorsegmenternes længder varierer meget, men har en gennemsnitlig længde på 44,2 kb. Da et gennemsnit på 13 strækninger overføres, er den gennemsnitlige samlede overførte DNA pr. Genom 575 kb. Denne proces omtales som "Distributiv ægteskabelig overførsel." Gray et al. fundet en væsentlig blanding af forældrenes genomer som et resultat af konjugering og betragtede denne blanding som minder om den, der ses i de meiotiske produkter af seksuel reproduktion.

Overførsel mellem kongerige

Agrobacterium tumefaciens galde ved roden af Carya illinoensis .

Bakterier i forbindelse med nitrogen fastsættelse Rhizobia er et interessant tilfælde af inter- rige konjugering. For eksempel indeholder det tumorfremkaldende (Ti) plasmid af Agrobacterium og rod-tumorinducerende (Ri) plasmidet af A. rhizogenes gener, der er i stand til at overføre til planteceller. Ekspressionen af disse gener effektivt omdanner plantecellerne i opine -producerende fabrikker. Opinier bruges af bakterierne som kilder til nitrogen og energi. Inficerede celler danner kronegalde eller rodtumorer . Ti- og Ri -plasmiderne er således endosymbionter af bakterierne, som igen er endosymbionter (eller parasitter) af den inficerede plante.

Ti- og Ri-plasmiderne kan også overføres mellem bakterier ved hjælp af et system ( tra eller overførsel, operon ), der er anderledes og uafhængigt af det system, der bruges til overførsel mellem lande ( vir , eller virulens , operon). Sådanne overførsler skaber virulente stammer fra tidligere avirulente stammer.

Gentekniske applikationer

Bøjning er et bekvemt middel til at overføre genetisk materiale til en række forskellige mål. I laboratorier er der blevet rapporteret vellykkede overførsler fra bakterier til gær, planter, pattedyrsceller, kiselalger og isolerede pattedyrs mitokondrier . Konjugering har fordele i forhold til andre former for genetisk overførsel, herunder minimal afbrydelse af målets mobilhylster og evnen til at overføre relativt store mængder genetisk materiale (se ovenstående diskussion af E. coli kromosomoverførsel). I anlægsteknik kompletterer Agrobacterium -lignende konjugering andre standardkøretøjer såsom tobaksmosaikvirus (TMV). Selvom TMV er i stand til at inficere mange plantefamilier, er disse primært urteagtige dikutter . Agrobacterium -lignende konjugering bruges også primært til dikot, men monocot -modtagere er ikke ualmindelige.

Se også

Referencer

eksterne links