Gen transfer ajanı - Gene transfer agent
Gen transfer ajanları ( GTA'lar ), bazı bakteriler ve arkeler tarafından üretilen ve yatay gen transferine aracılık eden DNA içeren virüs benzeri parçacıklardır . Farklı GTA türleri, çeşitli bakteri ve arke soylarında virüslerden bağımsız olarak ortaya çıkmıştır. Bu hücreler , hücrede bulunan DNA'nın kısa parçalarını içeren GTA parçacıkları üretir . Parçacıklar üretici hücreden salındıktan sonra ilgili hücrelere bağlanarak DNA'larını sitoplazmaya enjekte edebilirler. DNA daha sonra alıcı hücrelerin genomunun bir parçası olabilir.
Gen transfer ajanlarının keşfi
İlk GTA sistemi 1974'te, Rhodobacter capsulatus suşlarının karışık kültürlerinin yeni gen kombinasyonları ile yüksek frekansta hücre ürettiği zaman keşfedildi . Sorumlu faktör, hücre temasından bağımsız olması, deoksiribonükleaza karşı duyarsız olması ve faj üretimi ile ilişkili olmaması ile bilinen gen transfer mekanizmalarından farklıydı. Varsayılan işlevinden dolayı gen transfer ajanı (GTA, şimdi RcGTA) olarak adlandırılmıştır.
GTA genleri ve evrimi
GTA'ları belirleyen genler , bir konak kromozomuna entegre olan bakteriyofaj (faj) DNA'sından türetilir . Bu tür profajlar genellikle onları kusurlu ve faj parçacıkları üretemez hale getiren mutasyonlar kazanır. Birçok bakteri genomu, az veya çok kapsamlı mutasyon ve delesyona uğramış bir veya daha fazla kusurlu profaj içerir. Kusurlu profajlar gibi gen transfer ajanları, profajların mutasyonu ile ortaya çıkar, ancak faj partikülünün (yapısal genler) baş ve kuyruk bileşenleri için fonksiyonel genleri ve DNA paketlemesi için genleri korurlar. Düzenlemesini ve DNA replikasyonunu belirleyen faj genleri tipik olarak silinmiştir ve yapısal genler kümesinin ifadesi, hücresel düzenleyici sistemlerin kontrolü altındadır. GTA üretimine veya alımına katkıda bulunan ek genler genellikle diğer kromozom konumlarında bulunur. Bunlardan bazıları düzenleyici işlevlere sahiptir ve diğerleri doğrudan GTA üretimine ( örneğin fajdan türetilen lizis genleri) veya alım ve rekombinasyona ( örneğin hücre yüzeyi kapsülü ve DNA taşıma proteinlerinin üretimi ) katkıda bulunur Bu GTA ile ilişkili genler genellikle koordineli düzenleme altındadır. ana GTA gen kümesi ile. Fajdan türetilen hücre parçalama proteinleri (holin ve endolizin) daha sonra hücre duvarını ve zarını zayıflatarak hücrenin patlamasına ve GTA partiküllerini salmasına izin verir. Her hücre tarafından üretilen GTA parçacıklarının sayısı bilinmemektedir.
Bazı GTA sistemleri, konak genomlarına yeni eklenenler gibi görünmektedir, ancak diğerleri milyonlarca yıldır korunmaktadır. Dizi sapma çalışmalarının yapıldığı yerlerde (dN/dS analizi), genlerin protein fonksiyonu için doğal seçilim tarafından korunduğunu gösterirler (yani kusurlu versiyonlar elimine edilir).
Ancak bu seçimin doğası net değildir. GTA'yı keşfedenler gen transferinin parçacıkların işlevi olduğunu varsaysalar da, gen transferinin varsayılan faydaları popülasyona önemli bir maliyet getirir. Bu maliyetin çoğu, GTA üreten hücrelerin GTA parçacıklarını serbest bırakmak için parçalanması (patlayarak açılması) gerektiğinden kaynaklanmaktadır, ancak yeni gen kombinasyonlarının yapılmasıyla ilişkili genetik maliyetler de vardır, çünkü çoğu yeni kombinasyon genellikle orijinal kombinasyondan daha az uygun olacaktır. Alternatif bir açıklama, GTA genlerinin devam etmesidir, çünkü GTA'lar bulaşıcı bir şekilde yeni hücrelere yayılan genetik parazitlerdir. Bununla birlikte, GTA parçacıkları tipik olarak onları kodlayan genleri içeremeyecek kadar küçük olduğu için bu göz ardı edilir. Örneğin, ana RcGTA kümesi (aşağıya bakınız) 14 kb uzunluğundadır, ancak RcGTA parçacıkları yalnızca 4-5 kb DNA içerebilir.
Çoğu bakteri GTA'ların varlığı için taranmamıştır ve daha birçok GTA sistemi keşfedilmeyi bekleyebilir. GTA ile ilgili genler için DNA tabanlı araştırmalar birçok genomda homologlar bulmuş olsa da, GTA'ları kodlayan genleri sıradan profaj genlerinden ayırmanın zorluğu yorumlamayı engellemektedir.
GTA üretimi
Laboratuvar kültürlerinde, GTA'ların üretimi, tipik olarak, GTA genlerinin transkripsiyonunu indükleyen özel büyüme koşulları tarafından maksimuma çıkarılır; Çoğu GTA, birçok profajı indükleyen DNA'ya zarar veren tedaviler tarafından indüklenmez. Maksimum indükleyici koşullar altında bile, kültürün yalnızca küçük bir kısmı, tipik olarak %1'den daha az GTA üretir.
GTA üretimindeki adımlar, faj enfeksiyonu adımlarından türetilir. Yapısal genler önce kopyalanır ve çevrilir ve proteinler boş kafalara ve bağlanmamış kuyruklara birleştirilir. DNA paketleme makinesi daha sonra DNA'yı her kafaya paketler, kafa dolduğunda DNA'yı keser, kafaya bir kuyruk takar ve ardından yeni oluşturulan DNA ucunu yeni bir boş kafaya hareket ettirir. Profaj genlerinden farklı olarak, GTA'ları kodlayan genler genomdan çıkarılmaz ve GTA partiküllerinde paketleme için kopyalanmaz. En iyi çalışılan iki GTA (RcGTA ve BaGTA), hücredeki tüm DNA'yı GTA kodlayan genlerin aşırı temsili olmadan rastgele paketler. Her hücre tarafından üretilen GTA parçacıklarının sayısı bilinmemektedir.
GTA aracılı transdüksiyon
GTA parçacıklarının salınmasının DNA'nın yeni genomlara transferine yol açıp açmadığı birkaç faktöre bağlıdır. İlk olarak, partiküller ortamda hayatta kalmalıdır - bu konuda çok az şey bilinmektedir, ancak partiküllerin laboratuvar koşullarında oldukça kararsız olduğu bildirilmektedir. İkincisi, partiküller, genellikle aynı veya yakından ilişkili bir türün üyeleri olan uygun alıcı hücrelerle karşılaşmalı ve bunlara bağlanmalıdır. Fajlar gibi, GTA'lar da DNA'larını enjekte etmeden önce alıcı hücre yüzeyindeki spesifik protein veya karbonhidrat yapılarına bağlanır. Fajdan farklı olarak, iyi çalışılmış GTA'lar, DNA'larını alıcı sitoplazmayı çevreleyen iki zardan yalnızca ilkine enjekte ediyor gibi görünmektedir ve çiftin bir sarmalını taşımak için fajdan türetilen değil, türetilen yeterlilik olan farklı bir sistem kullanırlar. sarmal DNA, iç zardan sitoplazmaya.
Hücrenin rekombinasyonel onarım mekanizması, gelen DNA'ya çok benzer bir kromozomal sekans bulursa, hücrenin RecA proteininin aracılık ettiği homolog rekombinasyon yoluyla ilkini ikincisiyle değiştirir . Diziler aynı değilse, bu yeni bir genetik kombinasyona sahip bir hücre üretecektir. Ancak gelen DNA, hücredeki DNA dizileriyle yakından ilişkili değilse, bozulacak ve hücre, DNA replikasyonu için nükleotidlerini yeniden kullanacaktır.
Belirli GTA sistemleri
RcGTA ( Rhodobacter capsulatus )
Tarafından üretilen GTA alphaproteobacterium Rhodo.b capsulatus adında, R. capsulatus GTA (RcGTA), şu anda en iyi çalışılmış GTA. R. capsulatus'un laboratuvar kültürleri durağan faza girdiğinde, bakteri popülasyonunun bir alt kümesi RcGTA üretimini indükler ve partiküller daha sonra hücre lizizi yoluyla hücrelerden salınır . RcGTA yapısal genlerinin çoğu, bakteri kromozomu üzerinde ~ 15 kb'lik bir genetik kümede kodlanmıştır. Bununla birlikte, hücre lizizi için gerekli genler gibi RcGTA işlevi için gerekli olan diğer genler ayrı olarak konumlandırılır. RcGTA partikülleri 4.5 kb DNA fragmanları içerir ve RcGTA gen kümesi bölgesinde 2 katlık bir daldırma dışında tüm kromozomu eşit olarak temsil eder.
GTA üretiminin ve transdüksiyonunun düzenlenmesi en iyi şekilde R. capsulatus'ta incelenmiştir ; burada bir çekirdek algılama sistemi ve yalnızca ana RcGTA gen kümesinin değil, aynı zamanda bir holin/endolizin hücre liziz sisteminin, parçacık başı sivri uçlarının bir CtrA-fosforlu kontrol ekspresyonu , bir bağlanma proteini (muhtemelen kuyruk lifleri) ve RcGTA alıcı işlevi için gerekli olan kapsül ve DNA işleme genleri. Karakterize edilmemiş bir stokastik süreç, gen kümesinin ekspresyonunu hücrelerin sadece %0.1-3'ü ile sınırlandırır.
RcGTA-benzeri kümeler, alfaproteobakterilerin büyük bir alt kümesinde bulunur, ancak genler de delesyon yoluyla sıklıkla kaybolmuş gibi görünmektedir. Son zamanlarda, Rhodobacterales takımının birkaç üyesinin fonksiyonel RcGTA benzeri partiküller ürettiği gösterilmiştir. RcGTA ile homolojiye sahip gen grupları, çeşitli alfaproteobakteri türlerinin kromozomlarında bulunur.
DsGTA ( Dinoroseobacter shibae )
D. shibae , R. capsulatus gibi , Rhodobacterales Düzeninin bir üyesidir ve GTA'sı, gen organizasyonu, kısa DNA fragmanlarının paketlenmesi (4.2 kb) ve çekirdek algılama ile düzenleme dahil olmak üzere RcGTA ile ortak bir ata ve birçok özelliği paylaşır. CtrA fosforlu. Bununla birlikte, DNA paketleme makinesi, tercihli olarak genomdaki belirli sitelerde paketlemeyi başlatabileceğine dair keskin zirveler ve kapsam vadileri ile çok daha fazla özgüllüğe sahiptir. Ana DsGTA gen kümesinin DNA'sı çok kötü bir şekilde paketlenir.
BaGTA ( Bartonella türleri)
Bartonella türleri, R. capsulatus ve D. shibae gibi Alphaproteobacteria'nın üyeleridir , ancak BaGTA, RcGTA ve DsGTA ile ilişkili değildir. BaGTA partikülleri RcGTA'dan daha büyüktür ve 14 kb DNA fragmanları içerir. Bu kapasite prensipte BaGTA'nın 14 kb GTA kümesini paketlemesine ve iletmesine izin verebilse de, DNA kapsamı ölçümleri kümenin kapsamının azaldığını göstermektedir. Yüksek kapsama sahip bitişik bir bölgenin, yerel DNA replikasyonundan kaynaklandığı düşünülmektedir.
VSH-1 (Brachyspira hyodysenteriae)
Brachyspira , bir spiroket cinsidir; birkaç türün homolog GTA gen kümeleri taşıdığı gösterilmiştir. Parçacıklar 7.5 kb DNA parçaları içerir. VSH-1 üretimi, DNA'ya zarar veren ajan mitomisin C ve bazı antibiyotikler tarafından uyarılır. Aynı zamanda, kültürün önemli bir bölümünün VSH-1 üretebileceğini gösteren saptanabilir hücre lizizi ile de ilişkilidir.
Dd1 (Desulfovibriondesulfuricans)
D. desulfuricans , deltaproteobakterilerdeki bir toprak bakterisidir; Dd1 paketleri 13.6 kb DNA fragmanları
VTA (Methanococcus voltae)
M. voltae bir arkedir; onun GTA'sının 4.4 kb DNA fragmanlarını transfer ettiği bilinmektedir, ancak başka türlü karakterize edilmemiştir.