HORIZONTÁLNÍ PŘENOS GENŮ: MECHANISMY A PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Horizontální přenos genů nebo laterální přenos genů je výměna genetického materiálu mezi organismy, které se nevyskytuje v rodinách. Tato událost se odehrává mezi jedinci stejné generace a může nastat v jednobuněčných nebo mnohobuněčných bytostech.

K horizontálnímu přenosu dochází prostřednictvím tří hlavních mechanismů: konjugace, transformace a transdukce. V prvním typu je možná výměna dlouhých fragmentů DNA, zatímco v posledních dvou je přenos omezen na malé segmenty genetického materiálu.

Bakterie. THG je u těchto organismů běžný. Zdroj pixabay.com

Opačným konceptem je vertikální přenos genů, kde genetická informace přechází z organismu na jeho potomstvo. Tento proces je rozšířen v eukaryotech, jako jsou rostliny a zvířata. Naproti tomu v mikroorganismech je horizontální přenos běžný.

U eukaryot není horizontální přenos tak běžný. Existují však důkazy o výměně tohoto jevu, včetně předků lidí, kteří získali určité geny viry.

Co je horizontální přenos genů?

Během reprodukce eukaryotické organismy předávají své geny z jedné generace na své potomky (děti) v procesu známém jako vertikální přenos genů. Prokaryoty také provádějí tento krok, ale pomocí asexuální reprodukce štěpením nebo jinými mechanismy.

U prokaryotů však existuje další způsob výměny genetického materiálu nazývaný horizontální přenos genů. Zde jsou fragmenty DNA vyměňovány mezi organismy stejné generace a mohou přecházet z jednoho druhu na druhý.

Horizontální přenos je u bakterií poměrně častý. Vezměte si příklad genů, které způsobují rezistenci na antibiotika. Tyto důležité fragmenty DNA se normálně přenášejí mezi bakteriemi různých druhů.

Tyto mechanismy zahrnují významné lékařské komplikace při léčbě infekcí.

Mechanismy

Existují tři základní mechanismy, kterými lze DNA vyměňovat horizontálním přenosem. Jsou to konjugace, transformace a transdukce.

Časování

Přenos genu pomocí konjugace je jediný typ, který zahrnuje přímý kontakt mezi oběma bakteriemi.

Nemělo by se však srovnávat s výměnou genů pohlavní reprodukcí (kde obvykle dochází ke kontaktu mezi zúčastněnými organismy), protože proces je velmi odlišný. Mezi hlavní rozdíly patří absence meiózy.

Během konjugace dochází k průchodu genetického materiálu z jedné bakterie na druhou fyzickým kontaktem vytvořeným strukturou zvanou pili. Funguje to jako spojovací most, kde dochází k výměně.

Ačkoli se bakterie nerozlišují na pohlaví, organismus, který nese malou cirkulární DNA známou jako faktor F (plodnost f), je známý jako „mužský“. Tyto buňky jsou dárci během konjugace a předávají materiál do jiné buňky, která postrádá faktor.

Faktor F DNA se skládá z asi 40 genů, které řídí replikaci pohlavního faktoru a syntézu pohlavních pili.

První důkaz konjugačního procesu pochází z experimentů s Lederbergem a Tatumem, ale nakonec to byl Bernard Davis, kdo nakonec ukázal, že kontakt je pro přenos nezbytný.

Proměna

Transformace zahrnuje odebrání nahé molekuly DNA nalezené v prostředí v blízkosti hostitelských bakterií. Tento kus DNA pochází z jiné bakterie.

Tento proces může být prováděn přirozeně, protože populace bakterií normálně procházejí transformací. Podobně může být transformace v laboratoři simulována tak, aby bakterie donutily zaujmout DNA, která se nachází mimo ni.

Teoreticky lze odebrat jakýkoli kus DNA. Bylo však pozorováno, že tento proces zahrnuje malé molekuly.

Převod

Konečně, transdukční mechanismus nastává pomocí fágu (viru), který přenáší DNA z bakterie dárce k příjemci. Stejně jako v předchozím případě je množství přenesené DNA relativně malé, protože schopnost viru nést DNA je omezená.

Obvykle je tento mechanismus omezen na bakterie, které jsou fylogeneticky blízké, protože virus, který nese DNA, se musí vázat na specifické receptory na bakteriích, aby mohl materiál vstříknout.

Příklady

Endonukleázy jsou enzymy, které mají schopnost přerušit fosfodiesterové vazby uvnitř polynukleotidového řetězce zevnitř - proto jsou známé jako „endo“. Tyto enzymy se nikam neřežou, mají k tomu konkrétní místa, tzv. Restrikční místa.

Aminokyselinové sekvence pro enzymy EcoRI (v E. coli) a RSRI (v Rhodobacter sphaeroides) mají sekvenci téměř 300 zbytků aminokyselin, které jsou 50% identické, což jasně ukazuje na úzkou evoluční příbuznost.

Avšak díky studiu dalších molekulárních a biochemických charakteristik jsou tyto dvě bakterie velmi odlišné a z fylogenetického hlediska jsou velmi málo příbuzné.

Navíc gen, který kóduje enzym EcoRI, používá velmi specifické kodony, které se liší od kodonů, které se běžně používají v E. coli, takže existuje podezření, že gen nepochází z této bakterie.

Horizontální přenos genů v evoluci

V 1859, britský přírodovědec Charles Darwin revolucionizoval biologické vědy s jeho teorií evoluce přes přirozený výběr. Ve své ikonické knize Původ druhů navrhuje Darwin metaforu stromu života, aby ilustroval genealogické vztahy mezi druhy.

Dnes jsou fylogenie formální reprezentací této metafory, kde se předpokládá, že k přenosu genetické informace dochází svisle - od rodičů k dětem.

Tuto vizi můžeme aplikovat bez větších obtíží na mnohobuněčné organismy a získáme rozvětvený vzorec, jak navrhuje Darwin.

Tuto reprezentaci větví bez fúzí je však obtížné aplikovat na mikroorganismy. Při porovnání genomů různých prokaryot je zřejmé, že mezi liniemi existuje rozsáhlý přenos genů.

Vzorec vztahů je tedy spíše jako síť, s větvemi spojenými a fúzovanými dohromady, díky převahě horizontálního přenosu genů.

Reference

1. Gogarten, JP, a Townsend, JP (2005). Horizontální přenos genů, inovace a vývoj genomu. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, a Palmer, JD (2008). Horizontální přenos genů v eukaryotických evolucích. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetika: Koncepční přístup. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P. a McMillan, B. (2013). Biologie: Dynamická věda. Nelson Vzdělání.
5. Sumbali, G., & Mehrotra, RS (2009). Principy mikrobiologie. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Horizontální přenos genů. Academic Press.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiologie. Panamerican Medical Ed.