Transformation (genetik)

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. april 2021; verifikation kræver 1 redigering .

Transformation ( eng.  transformation ) er processen med absorption af et DNA- molekyle af en bakteriecelle fra det ydre miljø. For at være i stand til transformation skal en celle være kompetent , det vil sige, at DNA-molekyler skal kunne trænge ind i den gennem cellemembranerne. Transformation bruges aktivt i molekylærbiologi og genteknologi .

Det skal bemærkes, at udtrykket "transformation" kun refererer til bakterieceller. Indtrængen af ​​fremmed DNA i eukaryote celler kaldes transfektion [1] .

Studiehistorie

Fænomenet transformation blev først observeret i 1928 af Frederick Griffith , som arbejdede med pneumokokker ( Streptococcus pneumoniae ). Han fandt ud af, at avirulente stammer , der mangler en kapsel , kan få noget selv fra døde virulente celler, der har en kapsel, og blive virulente som et resultat. Efter 16 år viste Avery, McLeod og McCarthy , at det samme middel var DNA, der indeholdt de gener , der var nødvendige for dannelsen af ​​kapslen [2] . De isolerede DNA fra en virulent stamme af S. pneumoniae og viste, at introduktionen af ​​dette DNA alene i cellerne af en avirulent stamme gør dem til patogener. Resultaterne af Avery og kolleger blev oprindeligt mødt med skepsis, og de blev endelig anerkendt som pålidelige efter beskrivelsen af ​​fænomenet genetisk overførsel af Joshua Lederberg - konjugation (i 1947) og transduktion (i 1953) [3] .

I 1970 blev det eksperimentelt vist, at Escherichia coli-celler kan optage bakteriofag λ -DNA uden hjælperfag efter at være blevet behandlet med en calciumchloridopløsning [ 4] . To år senere blev muligheden for indfangning af celler under lignende betingelser af plasmid -DNA vist [5] . Sådan blev kemisk omdannelse opfundet. I slutningen af ​​1980'erne begyndte elektroporation at blive brugt til at transformere bakterieceller , hvilket i mange tilfælde viste sig at være mere effektivt end kemisk transformation og var anvendeligt på et større antal stammer [6] .

Mekanisme

Mange bakterier er i stand til at transformere, for eksempel Streptococcus , Haemophilus , Bacillus , actinomycetes , cyanobakterier og andre bakterier. Den antigene variation , der observeres i det forårsagende middel for gonoré , Neisseria gonorrhoeae , er således tilvejebragt ved transformation, hvor celler overfører gener af forskellige pili- varianter til hinanden , på grund af hvilke de binder sig til cellerne i værtsorganismen [7] . I normal tilstand forhindres indtrængning af store DNA-molekyler i bakterieceller af tætte dæksler, derfor skal cellen for at være i stand til transformation gå ind i den såkaldte kompetencetilstand. Under naturlige forhold erhverver kompetence en del af kulturen i den logaritmiske vækstfase under påvirkning af visse proteiner (kompetencefaktorer), der virker gennem et to-komponent system . Chloramphenicol , som blokerer proteinsyntesen , forhindrer dannelsen af ​​kompetente celler [8] . Det er også muligt, at tætheden af ​​bakteriekulturen spiller en rolle i udviklingen af ​​kompetence, da dette øger koncentrationen af ​​kompetencefaktorer. Hos Streptococcus mutans og andre arter af slægten Streptococcus sker transformation ofte under biofilmdannelse [9] . I Bacillus subtilis er flere gener involveret i udviklingen af ​​kompetence også involveret i sporulation . Kompetenceudviklingen i log-fasen skyldes mangel på næringsstoffer og ophobning af et betydeligt antal kompetencefaktorer [7] . Transformation kan fremkaldes af bakteriofager, hvilket forårsager frigivelse af DNA fra døende celler [10] samt beskadigelse af bakterielt DNA [11] . Erhvervelsen af ​​kompetence er en ekstremt kompleks fysiologisk proces; i Bacillus subtilis kræver det ekspression af omkring 40 gener [12] .

For det første binder kompetente celler DNA med deres overflade ved hjælp af specielle receptorer , og cellen transformerer meget lettere med lineære fragmenter end med cirkulære. DNA spaltes af nukleaser til fragmenter, der vejer op til 4-5 millioner Da , og kun en af ​​de to kæder af fragmenter kommer ind i cellen. Nogle bakterier, såsom pneumokokker og Bacillus subtilis , kan optage DNA fra en række forskellige kilder, mens andre, som Haemophilus , kun kan optage DNA fra celler af deres egen art . Fragmenter med en masse mindre end 500 kDa kommer ikke ind i cellen [8] [2] .

Efter indtræden i cellen integreres det enkeltstrengede fragment i det genomiske DNA fra modtagercellen. Transformation varer fra 10 til 30 minutter og i forskellige bakterier sker med en frekvens på omkring 1 % [13] .

Betydning

Under naturlige forhold gør transformation bakterier i stand til at opnå gener udefra, som kan hjælpe dem med at tilpasse sig givne forhold. Transformation er således en af ​​mekanismerne for horisontal genoverførsel sammen med konjugation (udveksling af genetisk materiale med celler under fysisk kontakt) og transduktion, hvor et DNA-fragment overføres af en fag [14] . Da kompetence kan være forårsaget af DNA-skade og ofte opstår under påvirkning af midler, der forårsager skade på DNA (for eksempel i Helicobacter pylori , inducerer antibiotikummet ciprofloxacin transformation , hvilket stimulerer dannelsen af ​​dobbeltstrengsbrud [15] ), transformation kan tjene som en adaptiv mekanisme, der fremmer DNA-reparation . Ved at modtage et DNA-fragment udefra (især fra en bakterie af samme art), kan bakterien bruge det som skabelon til at reparere skader gennem homolog rekombination [16] .

Transformation er blevet en rutinemæssig molekylærbiologisk teknik til at generere store mængder af det nødvendige plasmid . For kunstigt at bringe celler i en kompetencetilstand er der to hovedtilgange: elektroporation , hvor celler absorberer DNA efter en kortvarig påført spænding , og kemisk transformation, hvor celler udsættes for forskellige divalente ionsalte , såsom calciumchlorid. [2] [17] .

Noter

  1. ↑ Transfektion . Vejledning til protokoller og applikationer . Promega.
  2. ↑ 1 2 3 Dale & Park, 2004 , s. 167.
  3. ↑ Lederberg J. Transformationen af ​​genetik ved DNA: en jubilæumsfejring af Avery, MacLeod og McCarty (1944).  (engelsk)  // Genetik. - 1994. - Februar ( bind 136 , nr. 2 ). - S. 423-426 . — PMID 8150273 .
  4. ↑ Mandel M. , Higa A. Calcium-afhængig bakteriofag DNA-infektion.  (engelsk)  // Journal Of Molecular Biology. - 1970. - 14. oktober ( bind 53 , nr. 1 ). - S. 159-162 . — PMID 4922220 .
  5. ↑ Cohen SN , Chang AC , Hsu L. Ikke-kromosomal antibiotikaresistens i bakterier: genetisk transformation af Escherichia coli af R-faktor DNA.  (engelsk)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 1972. - August ( bind 69 , nr. 8 ). - S. 2110-2114 . — PMID 4559594 .
  6. ↑ Wirth R. , Friesenegger A. , Fiedler S. Transformation af forskellige arter af gramnegative bakterier tilhørende 11 forskellige slægter ved elektroporation.  (engelsk)  // Molekylær og generel genetik: MGG. - 1989. - Marts ( bd. 216 , nr. 1 ). - S. 175-177 . — PMID 2659971 .
  7. ↑ 12 Dale & Park, 2004 , s. 166.
  8. ↑ 1 2 Inge-Vechtomov, 2010 , s. 250.
  9. ↑ Aspiras MB , Ellen RP , Cvitkovitch DG ComX-aktivitet af Streptococcus mutans, der vokser i biofilm.  (engelsk)  // FEMS Microbiology Letters. - 2004. - 1. september ( bind 238 , nr. 1 ). - S. 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 Roman "Superspreader"-bakteriofager fremmer horisontal genoverførsel ved transformation.  (engelsk)  // MBio. - 2017. - 17. januar ( bind 8 , nr. 1 ). - doi : 10.1128/mBio.02115-16 . — PMID 28096488 .
  11. ↑ Claverys JP , Prudhomme M. , Martin B. Induktion af kompetencereguloner som en generel reaktion på stress i gram-positive bakterier.  (engelsk)  // Årlig gennemgang af mikrobiologi. - 2006. - Bd. 60 . - S. 451-475 . - doi : 10.1146/annurev.micro.60.080805.142139 . — PMID 16771651 .
  12. ↑ Solomon JM , Grossman AD Hvem er kompetent og hvornår: regulering af naturlig genetisk kompetence hos bakterier.  (engelsk)  // Trends In Genetics : TIG. - 1996. - April ( bind 12 , nr. 4 ). - S. 150-155 . — PMID 8901420 .
  13. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , s. 250-251.
  14. ↑ Johnston C. , Martin B. , Fichant G. , Polard P. , Claverys JP Bakterietransformation: distribution, delte mekanismer og divergerende kontrol.  (engelsk)  // Naturanmeldelser. mikrobiologi. - 2014. - Marts ( bind 12 , nr. 3 ). - S. 181-196 . - doi : 10.1038/nrmicro3199 . — PMID 24509783 .
  15. ↑ Dorer MS , Fero J. , Salama NR DNA-skade udløser genetisk udveksling i Helicobacter pylori.  (engelsk)  // PLoS Patogener. - 2010. - 29. juli ( bind 6 , nr. 7 ). - P. e1001026-1001026 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001026 . — PMID 20686662 .
  16. ↑ Bernstein H., Bernstein C., Michod RE Kapitel 1: DNA-reparation som den primære adaptive funktion af køn i bakterier og eukaryoter // DNA-reparation: New Research  (neopr.) / Kimura S., Shimizu S.. - Nova Sci . Publ., Hauppauge, NY, 2012. s. 1-49. — ISBN 978-1-62100-808-8 . Arkiveret kopi (ikke tilgængeligt link) . Hentet 16. november 2018. Arkiveret fra originalen 29. oktober 2013. 
  17. ↑ Donahue RA, Bloom FR Transformation i stort volumen med kemisk kompetente celler med høj gennemstrømningseffektivitet  //  Focus : journal. - 1998. - Juli ( bind 20 , nr. 2 ). - S. 54-56 .

Litteratur

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier