Naturlig kompetens

Naturlig kompetens. 1-Bakteriecells-DNA 2-Bakteriecellsplasmider 3-Sex pili 4-Plasmid av främmande DNA från en död cell 5-Bakteriecellsrestriktionsenzym 6-Unlindad främmande plasmid 7-DNA-ligas I: En plasmid av främmande DNA från en död cell fångas upp av sexpili från en naturligt kompetent bakteriecell. II: Den främmande plasmiden omvandlas genom sexpili till bakteriecellen, där den bearbetas av bakteriecellsrestriktionsenzymer. Restriktionsenzymerna bryter den främmande plasmiden till en sträng av nukleotider som kan läggas till bakteriens DNA. III: DNA-ligas integrerar de främmande nukleotiderna i bakteriecellens DNA. IV: Rekombinationen är fullständig och det främmande DNA:t har integrerats i den ursprungliga bakteriecellens DNA och kommer att fortsätta att vara en del av det när bakteriecellen replikerar nästa gång.

Inom mikrobiologi , genetik , cellbiologi och molekylärbiologi är kompetens en cells förmåga att förändra sin genetik genom att ta upp extracellulärt ("naken") DNA från sin miljö i processen som kallas transformation . Kompetens kan skiljas mellan naturlig kompetens , en genetiskt specificerad förmåga hos bakterier som tros förekomma under naturliga förhållanden såväl som i laboratoriet, och inducerad eller artificiell kompetens , som uppstår när celler i laboratoriekulturer behandlas för att göra dem transient permeabla för DNA. Kompetens möjliggör snabb anpassning och DNA-reparation av cellen. Denna artikel behandlar i första hand naturlig kompetens hos bakterier, även om information om artificiell kompetens ges också.

Historia

Naturlig kompetens upptäcktes av Frederick Griffith 1928, när han visade att ett preparat av dödade celler av en patogen bakterie innehöll något som kunde omvandla relaterade icke-patogena celler till den patogena typen. 1944 Oswald Avery , Colin MacLeod och Maclyn McCarty att denna "transformerande faktor" var ren DNA . Detta var det första övertygande beviset på att DNA bär cellens genetiska information.

Sedan dess har naturlig kompetens studerats i ett antal olika bakterier, särskilt Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae (Griffiths "pneumococcus"), Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae och medlemmar av Acinetobacter -släktet. Områden för aktiv forskning inkluderar mekanismerna för DNA-transport, reglering av kompetens hos olika bakterier och kompetensens evolutionära funktion.

Mekanismer för DNA-upptag

I laboratoriet tillhandahålls DNA av forskaren, ofta som ett genetiskt modifierat fragment eller plasmid . Under upptagningen transporteras DNA över cellmembranet/ cellmembranen och cellväggen om sådan finns. När DNA:t är inne i cellen kan det brytas ned till nukleotider , som återanvänds för DNA-replikation och andra metaboliska funktioner. Alternativt kan den rekombineras in i cellens genom av dess DNA-reparationsenzymer . Om denna rekombination förändrar cellens genotyp sägs cellen ha transformerats. Artificiell kompetens och transformation används som forskningsverktyg i många organismer ( se Transformation (genetik) ) .

I nästan alla naturligt kompetenta bakterier binder komponenter av extracellulära filament som kallas typ IV pili (en typ av fimbria ) extracellulärt dubbelsträngat DNA. DNA:t translokeras sedan över membranet (eller membran för gramnegativa bakterier) genom flerkomponentproteinkomplex som drivs av nedbrytningen av en sträng av DNA:t. Enkelsträngat DNA i cellen är bundet av ett välkonserverat protein, DprA, som laddar DNA:t på RecA , vilket förmedlar homolog rekombination genom den klassiska DNA-reparationsvägen .

Reglering av kompetens

I laboratoriekulturer är naturlig kompetens vanligtvis hårt reglerad och utlöses ofta av näringsbrist eller ogynnsamma förhållanden. De specifika inducerande signalerna och regleringsmaskineriet är dock mycket mer varierande än upptagningsmaskineriet, och lite är känt om regleringen av kompetens i dessa bakteriers naturliga miljöer. Man har upptäckt transkriptionsfaktorer som reglerar kompetens; ett exempel är sxy (även känd som tfoX) som har visat sig regleras i sin tur av ett 5' icke-kodande RNA-element . Hos bakterier som kan bilda sporer överlappar tillstånd som inducerar sporulering ofta de som inducerar kompetens. Sålunda innehåller kulturer eller kolonier som innehåller sporbildande celler ofta också kompetenta celler. Ny forskning av Süel et al. har identifierat en exciterbar kärnmodul av gener som kan förklara inträde och utträde ur kompetens när cellulärt brus beaktas.

De flesta kompetenta bakterier tros ta upp alla DNA-molekyler med ungefär samma effektivitet, men bakterier i familjerna Neisseriaceae och Pasteurellaceae tar företrädesvis upp DNA-fragment som innehåller korta DNA-sekvenser , kallad DNA-upptagningssekvens (DUS) i Neisseriaceae och upptagningssignalsekvens (USS) i Pasteurellaceae, som är mycket vanliga i sina egna genom. Neisseria-genom innehåller tusentals kopior av den föredragna sekvensen GCCGTCTGAA, och pasteurellacean -genom innehåller antingen AAGTGCGGT eller ACAAGCGGT.

Evolutionära funktioner och konsekvenser av kompetens

De flesta förslag som lagts fram för den primära evolutionära funktionen av naturlig kompetens som en del av naturlig bakteriell transformation delas in i tre kategorier: (1) den selektiva fördelen med genetisk mångfald; (2) DNA-upptag som en källa till nukleotider (DNA som "mat"); och (3) den selektiva fördelen med en ny DNA-sträng för att främja homolog rekombinationell reparation av skadat DNA (DNA-reparation). Ett sekundärt förslag har också gjorts, och noterar en och annan fördel med horisontell genöverföring .

Hypotes om genetisk mångfald

Argument för att stödja genetisk mångfald som den primära evolutionära funktionen av kön (inklusive bakteriell transformation) ges av Barton och Charlesworth. och av Otto och Gerstein. Men de teoretiska svårigheterna i samband med utvecklingen av kön tyder på att sex för genetisk mångfald är problematiskt. Specifikt med avseende på bakteriell transformation kräver kompetens den höga kostnaden för en global proteinsyntesbyte, med till exempel mer än 16 gener som slås på endast under kompetensen av Streptococcus pneumoniae . Men eftersom bakterier tenderar att växa i kloner, skulle det DNA som är tillgängligt för transformation i allmänhet ha samma genotyp som det hos mottagarcellerna. Det finns alltså alltid en hög kostnad för proteinuttryck utan att i allmänhet öka mångfalden. Andra skillnader mellan kompetens och kön har beaktats i modeller för utvecklingen av gener som orsakar kompetens; dessa modeller fann att kompetensens postulerade rekombinationsfördelar var ännu mer svårfångade än sex.

Hypotes om DNA som föda

Den andra hypotesen, DNA som föda, bygger på det faktum att celler som tar upp DNA oundvikligen förvärvar de nukleotider som DNA består av, och eftersom nukleotider behövs för DNA- och RNA-syntes och är dyra att syntetisera, kan dessa ge ett betydande bidrag till cellens energibudget. Vissa naturligt kompetenta bakterier utsöndrar också nukleaser i sin omgivning, och alla bakterier kan ta upp de fria nukleotider som dessa nukleaser genererar från miljöns DNA. Energin för DNA-upptag förstås inte i något system, så det är svårt att jämföra effektiviteten av nukleasutsöndring med den för DNA-upptag och intern nedbrytning. I princip måste kostnaden för nukleasproduktion och osäkerheten i nukleotidåtervinning balanseras mot den energi som behövs för att syntetisera upptagningsmaskineriet och dra in DNA. Andra viktiga faktorer är sannolikheten för att nukleaser och kompetenta celler kommer att möta DNA-molekyler, den relativa ineffektiviteten. av nukleotidupptag från miljön och från periplasman (där en sträng bryts ned av kompetenta celler), och fördelen av att producera färdiga nukleotidmonofosfater från den andra strängen i cytoplasman. En annan komplicerande faktor är självförspänningen hos DNA-upptagningssystemen hos arter i familjen Pasteurellaceae och släktet Neisseria , vilket kan återspegla antingen selektion för rekombination eller för mekanistiskt effektivt upptag.

Hypotes om reparation av DNA-skada

Hos bakterier är problemet med DNA-skador mest uttalat under perioder av stress, särskilt oxidativ stress, som uppstår under trängsel eller svältförhållanden. Under sådana förhållanden finns det ofta bara en enda kromosom närvarande. Upptäckten att vissa bakterier inducerar kompetens under sådana stressförhållanden, stöder den tredje hypotesen, att transformation existerar för att möjliggöra DNA-reparation. I experimentella tester överlevde bakterieceller som exponerats för ämnen som skadar deras DNA och sedan genomgår transformation bättre än celler exponerade för DNA-skador som inte genomgick transformation (Hoelzer och Michod, 1991). Dessutom kan förmågan att genomgå transformation ofta induceras av kända DNA-skadande medel (recensat av Michod et al ., 2008 och Bernstein et al ., 2012). En stark kortsiktig selektiv fördel för naturlig kompetens och transformation skulle således vara dess förmåga att främja homolog rekombination DNA-reparation under förhållanden av stress. Sådana stresstillstånd kan uppstå under bakteriell infektion av en mottaglig värd. I överensstämmelse med denna idé, Li et al. rapporterade att, bland olika mycket transformerbara S. pneumoniae- isolat, beror nasal kolonisationsförmåga och virulens (lunginfektion) på ett intakt kompetenssystem.

Ett motargument gjordes baserat på rapporten från 1993 från Redfield som fann att enkelsträngad och dubbelsträngad skada på kromosomalt DNA inte inducerade eller förbättrade kompetens eller transformation i B. subtilis eller H. influenzae , vilket tyder på att urval för reparation har spelat. liten eller ingen roll i utvecklingen av kompetens hos dessa arter

Men nyare bevis indikerar att kompetens för transformation faktiskt induceras specifikt av DNA-skadande förhållanden. Till exempel beskriver Claverys et al . 2006 visade att de DNA-skadliga medlen mitomycin C (ett DNA-tvärbindningsmedel) och fluorokinolon (en topoisomerasinhibitor som orsakar dubbelsträngsbrott) inducerar transformation i Streptococcus pneumoniae . Dessutom visade Engelmoer och Rozen 2011 att hos S. pneumoniae skyddar transformation mot den bakteriedödande effekten av mitomycin C. Induktion av kompetens ytterligare skyddad mot antibiotika kanomycin och streptomycin. Även om dessa aminoglykosidantibiotika tidigare ansågs vara icke-DNA-skadliga, har nyligen genomförda studier 2012 av Foti et al . visade att en betydande del av deras bakteriedödande aktivitet härrör från frisättning av hydroxylradikalen och induktion av DNA-skador, inklusive dubbelsträngsbrott.

Dorer et al ., 2010, visade att ciprofloxacin, som interagerar med DNA-gyras och orsakar produktion av dubbelsträngsbrott, inducerar uttryck av kompetensgener i Helicobacter pylori , vilket leder till ökad transformation. Under 2011 studier av Legionella pneumophila , Charpentier et al . testade 64 toxiska molekyler för att avgöra vilka som inducerar kompetens. Endast sex av dessa molekyler, alla DNA-skadande medel, inducerade starkt kompetens. Dessa molekyler var norfloxacin , ofloxacin och nalidixinsyra (hämmare av DNA-gyras som producerar dubbelsträngsbrott), mitomycin C (som producerar tvärbindningar mellan strängarna), bicyklomycin (orsakar enkel- och dubbelsträngsbrott) och hydroxyurea (orsakar oxidation av DNA-baser). Charpentier et al . visade också att UV-bestrålning inducerar kompetens i L. pneumophila och föreslog vidare att kompetens för transformation utvecklades som ett svar på DNA-skada.

Horisontell genöverföring

En långsiktig fördel kan ibland ges av enstaka fall av horisontell genöverföring, även kallad lateral genöverföring , (vilket kan vara ett resultat av icke-homolog rekombination efter att kompetens inducerats), vilket kan ge antibiotikaresistens eller andra fördelar.

Oavsett vilken typ av selektion för kompetens, ger den sammansatta naturen av bakteriegenom rikliga bevis för att den horisontella genöverföringen som orsakas av kompetens bidrar till den genetiska mångfalden som gör evolution möjlig.

Se även

• Transformation (genetik)