Horizontalni prenos genov (HGT): definicija, mehanizmi in pomen
Horizontalni prenos genov (HGT): razlaga, mehanizmi in biološki pomen — od mikrobov do biotehnologije. Spoznajte vloge, posledice in primere HGT.
Horizontalni prenos genov (HGT) (ali bočni prenos genov) je postopek, pri katerem organizem dobi genski material od drugega organizma, ne da bi bil potomec tega organizma.
Vertikalni prenos pa se zgodi, ko organizem dobi genski material od svojega prednika, npr. starša ali vrste, iz katere se je razvil.
Večina razmišljanj v genetiki se osredotoča na vertikalni prenos, vendar se vse bolj zavedamo, da je pomemben pojav tudi horizontalni prenos genov. Med enoceličnimi organizmi je morda prevladujoča oblika genskega prenosa. Umetni horizontalni prenos genov je oblika genskega inženiringa.
Mehanizmi horizontalnega prenosa genov
Horizontalni prenos genov poteka po več različnih mehanizmih. Najpogostejši so:
- Transformacija – sprejem proste DNA iz okolja s strani bakterije ali druge celice. DNA lahko izvira iz razpadajočih celic in se integrira v genom sprejemnice.
- Transdukcija – prenos DNK preko bakteriofagov (virusov, ki napadajo bakterije). Ločimo generalizirano in specializirano transdukcijo, odvisno od načina, kako fag med življenjskim ciklom prenese gostiteljevo DNA.
- Konjugacija – neposreden prenos DNA preko fizičnega stika med celicama, pogosto posredovan z plazmidi (npr. R-plazmidi, ki prenašajo odpornost proti antibiotikom) ali integrativno-konjugativnimi elementi (ICE).
- Mobilni genski elementi – transpozoni, integroni in insersijski elementi lahko selijo gene znotraj in med genomi ter pogosto prenašajo operone za odpornost ali presnovo.
- Vezikli in eksosomi – nekateri organizmi izločajo membranske vezikle, ki vsebujejo DNA ali RNA in jih lahko prejmejo druge celice.
- Endosimbiotski in endogen prenos – prenos genov med endosimbioti (npr. med bakterijo v notranjosti gostiteljske celice) in gostiteljem; primer je prenos genov iz mitohondrijev ali kloroplastov v jedrni genom v preteklosti.
Glavni prenašalci in elementi
- Plazmidi – majhne, običajno krožne DNA molekule, ki se replikirajo neodvisno od kromosoma in pogosto nosijo gene za odpornost, metabolizem ali virulenco.
- Transpozoni (»skakalni geni«) – elementi, ki se premikajo znotraj genoma in lahko prenesejo gene med kromosomi in plazmidi.
- Integroni – sistemi za zajem in izražanje genskih kaset, pogosto pomembni pri kopičenju genov za odpornost.
- Bakteriofagi – virusi, ki lahko prenašajo gostiteljske gene med bakterijami in prispevajo k horizontalnemu prenosu.
Pomen in posledice HGT
Horizontalni prenos genov ima številne biološke in praktične posledice:
- Hitro širjenje odpornosti proti antibiotikom – HGT omogoča bakterijam hitro pridobitev in širjenje genov, ki povzročijo odpornost, kar otežuje zdravljenje okužb.
- Prilagajanje in evolucija – HGT lahko hitro vpelje nove funkcije, kot so metabolizem novih hranil, strupenost ali preživetje v ekstremnih razmerah, kar pospešuje evolucijo populacij.
- Izmenjava virulencnih faktorjev – geni, ki omogočajo okuževanje gostiteljev ali izogibanje imunskemu sistemu, se lahko širijo med patogenimi vrstami.
- Komplikacija »drevesa življenja« – zaradi HGT je zgodovina genov in vrst pogosto bolj podobna mreži kot preprostem razvejajočem drevesu.
- Biotehnologija in varnost – HGT je osnova za genski inženiring (umetni prenos genov), hkrati pa predstavlja tveganje nehotenega širjenja transgenov v naravno okolje.
HGT pri prokariotih in evkariotih
Horizontalni prenos je zelo pogost pri bakterijah in arhejah ter igra ključno vlogo pri njihovem prilagajanju. Pri evkariontih je HGT manj pogost, vendar je dokumentiran: primeri vključujejo prenos genov iz mikroorganizmov v rastline (npr. Agrobacterium pri tvorbi tumorskih tumorjev), vnos genov iz endosimbiontov ob nastanku mitohondrijev in kloroplastov ter primeri v brezspolnih bezobročnih organizmih (npr. nekateri rotiferji), ki so pridobili gene iz vrst okolja.
Kako zaznamo HGT
Raziskovalci uporabljajo več pristopov za odkrivanje HGT:
- Filske analize – neskladnost med filogenetskimi drevesi posameznih genov in drevesom vrst pogosto kaže na HGT.
- Kompozicijske metode – nenavadna vsebnost GC, drugačna uporaba kodonov ali nenavadna sestava sekvence lahko nakazuje tujo DNK.
- Genomske otočke in mobilni elementi – identificiranje gensko gostih otokov, integronov ali spremljajočih elementov (npr. transpozazi) je znak HGT.
- Eksperimentalni dokazi – laboratorijski poskusi, kjer se pokaže dejanski prenos genov med organizmi.
Primeri in praktični učinki
- Širjenje genov za odpornost na beta-laktamne antibiotike in druge antibiotike prek plazmidov in transpozonov.
- Prenos metabolnih poti med bakterijami, kar omogoča kolonizacijo novih okolij (npr. degradacija onesnaževal).
- Naravni prenos genov iz Agrobacterium je stalna osnova za tehnike genske transformacije rastlin v kmetijstvu in znanosti.
Omejitve in tveganja
Čeprav je HGT ključnega pomena za prokariotno prilagajanje, prinaša tudi tveganja za zdravje in okolje. Hitro širjenje odpornosti predstavlja grožnjo javnemu zdravju. V biotehnologiji obstaja skrb glede nehotenega širjenja transgenih elementov v divje populacije ali v mikrobiom. Zato so nadzor, spremljanje in varnostni protokoli pomembni pri delu z genetsko spremenjenimi organizmi.
Zaključek
Horizontalni prenos genov je temeljni proces v biologiji, ki omogoča hitro pridobivanje novih genov in lastnosti, še posebej pri mikroorganizmih. Razumevanje mehanizmov, posledic in načinov zaznavanja HGT je ključno tako za evolucijsko biologijo kot za medicino, ekologijo in biotehnologijo.
Mehanizem
Obstaja več mehanizmov za horizontalni prenos genov:
- Transformacija, genetska sprememba celice, ki nastane zaradi vnosa, sprejema in izražanja tujega genskega materiala (DNK ali RNK). Ta proces je razmeroma pogost pri bakterijah, manj pa pri evkariontih. Transformacija se pogosto uporablja v laboratorijih za vstavljanje novih genov v bakterije za poskuse ali za uporabo v industriji ali medicini.
- Transdukcija je proces, pri katerem bakterijski virus (bakteriofag ali "fag") prenaša bakterijsko DNK z ene bakterije na drugo.
- Bakterijska konjugacija, postopek, pri katerem bakterijska celica prenese genski material na drugo celico s stikom med celicami.
- Sredstvo za prenos genov ali "GTA" je virusu podoben element, ki vsebuje naključne dele gostiteljskega kromosoma. Najdemo jih pri večini pripadnikov alphaproteobakterij reda Rhodobacterales. Kodira jih genom gostitelja. GTA prenašajo DNK tako pogosto, da imajo lahko pomembno vlogo v evoluciji.
V poročilu iz leta 2010 je bilo ugotovljeno, da se lahko
geni za odpornost proti
antibiotikom prenašajo z inženiringom GTA v laboratoriju. - Integroni, bakterijski "komplet" za prenos genskih kaset.
Zgodovina
Horizontalni prenos genov je bil prvič opisan na Japonskem v publikaciji iz leta 1959, v kateri je bil prikazan prenos odpornosti na antibiotike med različnimi vrstami bakterij.
Sredi osemdesetih let prejšnjega stoletja je Syvanen predlagal, da lateralni prenos genov ni le biološko pomemben, temveč je bil vpleten v oblikovanje evolucijske zgodovine od začetka življenja na Zemlji.
"Študije genov in genomov vse bolj kažejo, da je med prokarionti prišlo do znatnega horizontalnega prenosa." Zdi se, da je bil ta pojav pomemben tudi za enocelične evkarionte. Kot ugotavljajo Bapteste in drugi, "dodatni dokazi kažejo, da bi bil prenos genov lahko tudi pomemben evolucijski mehanizem v evoluciji protistov".
Obstajajo dokazi, da so bile prizadete tudi višje rastline in živali. Richardson in Palmer (2007) navajata: "Horizontalni prenos genov (HGT) je imel pomembno vlogo pri evoluciji bakterij in je precej pogost pri nekaterih enoceličnih evkariontih. Vendar pa razširjenost in pomen HGT v evoluciji večceličnih evkariontov ostajata nejasna".
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je horizontalni prenos genov?
O: Horizontalni prenos genov je proces, pri katerem organizem pridobi genski material od drugega organizma, ki ni njegov potomec.
V: Kako se horizontalni prenos genov razlikuje od vertikalnega prenosa?
O: Vertikalni prenos se zgodi, ko organizem dobi genski material od svojega prednika, medtem ko se horizontalni prenos genov zgodi, ko organizem pridobi genski material od drugega organizma, ki ni njegov potomec.
V: Na kaj se osredotoča večina razmišljanj v genetiki?
O: Večina razmišljanj v genetiki se je osredotočila na vertikalni prenos.
V: Zakaj je horizontalni prenos genov pomemben pojav?
O: Horizontalni prenos genov je pomemben pojav, ker je med enoceličnimi organizmi lahko prevladujoča oblika genskega prenosa.
V: Kaj je umetni horizontalni prenos genov?
O: Umetni horizontalni prenos genov je vrsta genskega inženiringa, ki vključuje nameren prenos genskega materiala iz enega organizma v drugega.
V: Ali lahko pride do horizontalnega prenosa genov med organizmi različnih vrst?
O: Da, do horizontalnega prenosa genov lahko pride med organizmi različnih vrst.
V: Ali je horizontalni prenos genov prisoten pri vseh organizmih?
O: Ne, le pri nekaterih organizmih prihaja do horizontalnega prenosa genov, zlasti pri enoceličnih organizmih.
Iskati