Transformation (genetik)

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 24 april 2021; verifiering kräver 1 redigering .

Transformation ( eng.  transformation ) är processen för absorption av en DNA- molekyl av en bakteriecell från den yttre miljön. För att kunna transformeras måste en cell vara kompetent , det vill säga DNA-molekyler måste kunna tränga in i den genom cellmembranen. Transformation används aktivt inom molekylärbiologi och genteknik .

Det bör noteras att termen "transformation" endast avser bakterieceller. Inträdet av främmande DNA i eukaryota celler kallas transfektion [1] .

Studiens historia

Fenomenet transformation observerades första gången 1928 av Frederick Griffith , som arbetade med pneumokocker ( Streptococcus pneumoniae ). Han fann att avirulenta stammar som saknar en kapsel kan få något även från döda virulenta celler som har en kapsel och blir virulenta som ett resultat. Efter 16 år visade Avery, McLeod och McCarthy att samma medel var DNA som innehöll de gener som var nödvändiga för bildandet av kapseln [2] . De isolerade DNA från en virulent stam av S. pneumoniae och visade att införandet av detta DNA ensamt i cellerna i en avirulent stam förvandlar dem till patogener. Resultaten av Avery och kollegor möttes till en början med skepsis, och de erkändes slutligen som tillförlitliga efter beskrivningen av fenomenet genetisk överföring av Joshua Lederberg - konjugering (1947) och transduktion (1953) [3] .

1970 visades det experimentellt att Escherichia coli-celler kan ta upp bakteriofag λ DNA utan hjälpfag efter att ha behandlats med en kalciumkloridlösning [ 4] . Två år senare visades möjligheten att fångas av celler under liknande förhållanden av plasmid -DNA [5] . Det var så kemisk omvandling uppfanns. I slutet av 1980-talet började elektroporering användas för att transformera bakterieceller , vilket i många fall visade sig vara mer effektivt än kemisk transformation och var applicerbart på ett större antal stammar [6] .

Mekanism

Många bakterier kan transformeras, till exempel Streptococcus , Haemophilus , Bacillus , actinomycetes , cyanobakterier och andra bakterier. Således tillhandahålls den antigena variationen som observeras i det orsakande medlet för gonorré , Neisseria gonorrhoeae , genom transformation, där celler överför gener av olika pili- varianter till varandra , på grund av vilka de fäster till värdorganismens celler [7] . I det normala tillståndet förhindras penetration av stora DNA-molekyler i bakterieceller av täta höljen, därför måste cellen, för att kunna transformeras, gå in i det så kallade kompetenstillståndet. Under naturliga förhållanden förvärvar kompetens en del av kulturen i den logaritmiska tillväxtfasen under påverkan av vissa proteiner (kompetensfaktorer) som verkar genom ett tvåkomponentsystem . Kloramfenikol , som blockerar proteinsyntesen , förhindrar bildandet av kompetenta celler [8] . Det är också möjligt att bakteriekulturens täthet spelar roll för kompetensutvecklingen, eftersom detta ökar koncentrationen av kompetensfaktorer. Hos Streptococcus mutans och andra arter av släktet Streptococcus sker transformation ofta under biofilmbildning [9] . I Bacillus subtilis är flera gener involverade i utvecklingen av kompetens också involverade i sporulering . Kompetensutvecklingen i logfasen beror på brist på näringsämnen och ackumulering av ett betydande antal kompetensfaktorer [7] . Transformation kan provoceras av bakteriofager, vilket orsakar frisättning av DNA från döende celler [10] , såväl som skador på bakteriellt DNA [11] . Förvärvet av kompetens är en extremt komplex fysiologisk process, i Bacillus subtilis kräver det uttryck av cirka 40 gener [12] .

För det första binder kompetenta celler DNA med sin yta med hjälp av speciella receptorer , och cellen transformeras mycket lättare med linjära fragment än med cirkulära. DNA klyvs av nukleaser till fragment som väger upp till 4-5 miljoner Da , och endast en av de två kedjorna av fragment kommer in i cellen. Vissa bakterier, såsom pneumokocker och Bacillus subtilis , kan ta upp DNA från en mängd olika källor, medan andra, som Haemophilus , bara kan ta upp DNA från celler av sin egen art . Fragment med en massa mindre än 500 kDa kommer inte in i cellen [8] [2] .

Efter att ha kommit in i cellen integreras det enkelsträngade fragmentet i mottagarcellens genomiska DNA. Transformation varar från 10 till 30 minuter och hos olika bakterier sker med en frekvens av cirka 1 % [13] .

Betydelse

Under naturliga förhållanden gör transformationen det möjligt för bakterier att erhålla gener utifrån som kan hjälpa dem att anpassa sig till givna förhållanden. Således är transformation en av mekanismerna för horisontell genöverföring , tillsammans med konjugation (utbyte av genetiskt material av celler under fysisk kontakt), och transduktion, där ett DNA-fragment överförs av en fag [14] . Eftersom kompetens kan orsakas av DNA-skada och ofta uppstår under verkan av medel som orsakar skada på DNA (till exempel i Helicobacter pylori , inducerar antibiotikumet ciprofloxacin transformation , vilket stimulerar bildandet av dubbelsträngsbrott [15] ), transformation kan fungera som en adaptiv mekanism som främjar DNA-reparation . Genom att ta emot ett DNA-fragment utifrån (särskilt från en bakterie av samma art) kan bakterien använda det som mall för att reparera skador genom homolog rekombination [16] .

Transformation har blivit en rutinmässig molekylärbiologiteknik för att generera stora mängder av den erforderliga plasmiden . För att artificiellt föra celler till ett kompetenstillstånd finns det två huvudsakliga tillvägagångssätt: elektroporering , där celler absorberar DNA efter en kortvarig pålagd spänning , och kemisk transformation, där celler exponeras för olika tvåvärda jonsalter , såsom kalciumklorid [2] [17] .

Anteckningar

  1. ↑ Transfektion . Protokoll och applikationsguide . Promega.
  2. ↑ 1 2 3 Dale & Park, 2004 , sid. 167.
  3. ↑ Lederberg J. Omvandlingen av genetik genom DNA: ett jubileumsfirande av Avery, MacLeod och McCarty (1944).  (engelska)  // Genetik. - 1994. - Februari ( vol. 136 , nr 2 ). - s. 423-426 . — PMID 8150273 .
  4. ↑ Mandel M. , Higa A. Calcium-dependent bacteriophage DNA-infektion.  (engelska)  // Journal Of Molecular Biology. - 1970. - 14 oktober ( vol. 53 , nr 1 ). - S. 159-162 . — PMID 4922220 .
  5. ↑ Cohen SN , Chang AC , Hsu L. Nonkromosomal antibiotikaresistens i bakterier: genetisk transformation av Escherichia coli genom R-faktor DNA.  (engelska)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States Of America. - 1972. - August ( vol. 69 , nr 8 ). - P. 2110-2114 . — PMID 4559594 .
  6. ↑ Wirth R. , Friesenegger A. , Fiedler S. Transformation av olika arter av gramnegativa bakterier som tillhör 11 olika släkten genom elektroporering.  (engelska)  // Molecular & General Genetics: MGG. - 1989. - Mars ( vol. 216 , nr 1 ). - S. 175-177 . — PMID 2659971 .
  7. ↑ 12 Dale & Park, 2004 , sid. 166.
  8. ↑ 1 2 Inge-Vechtomov, 2010 , sid. 250.
  9. ↑ Aspiras MB , Ellen RP , Cvitkovitch DG ComX-aktivitet av Streptococcus mutans som växer i biofilmer.  (engelska)  // FEMS Microbiology Letters. - 2004. - 1 september ( vol. 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" Bacteriophages främjar horisontell genöverföring genom transformation.  (engelska)  // MBio. - 2017. - 17 januari ( vol. 8 , nr 1 ). - doi : 10.1128/mBio.02115-16 . — PMID 28096488 .
  11. ↑ Claverys JP , Prudhomme M. , Martin B. Induktion av kompetensreguloner som ett allmänt svar på stress hos grampositiva bakterier.  (engelska)  // Annual Review Of Microbiology. - 2006. - Vol. 60 . - s. 451-475 . - doi : 10.1146/annurev.micro.60.080805.142139 . — PMID 16771651 .
  12. ↑ Solomon JM , Grossman AD Vem är behörig och när: reglering av naturlig genetisk kompetens hos bakterier.  (engelska)  // Trends In Genetics : TIG. - 1996. - April ( vol. 12 , nr 4 ). - S. 150-155 . — PMID 8901420 .
  13. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , sid. 250-251.
  14. ↑ Johnston C. , Martin B. , Fichant G. , Polard P. , Claverys JP Bakterieomvandling: distribution, delade mekanismer och divergerande kontroll.  (engelska)  // Naturrecensioner. mikrobiologi. - 2014. - Mars ( vol. 12 , nr 3 ). - S. 181-196 . - doi : 10.1038/nrmicro3199 . — PMID 24509783 .
  15. ↑ Dorer MS , Fero J. , Salama NR DNA-skada utlöser genetiskt utbyte i Helicobacter pylori.  (engelska)  // PLoS Patogener. - 2010. - 29 juli ( vol. 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 primära adaptiva funktionen av sex i bakterier och eukaryoter // DNA-reparation: Ny forskning  (neopr.) / Kimura S., Shimizu S.. - Nova Sci . Publ., Hauppauge, NY, 2012. s. 1-49. — ISBN 978-1-62100-808-8 . Arkiverad kopia (inte tillgänglig länk) . Hämtad 16 november 2018. Arkiverad från originalet 29 oktober 2013. 
  17. ↑ Donahue RA, Bloom FR Transformation i stor volym med kemiskt kompetenta celler med hög genomströmningseffektivitet  //  Fokus: journal. - 1998. - Juli ( vol. 20 , nr 2 ). - S. 54-56 .

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk