Transduktio genetiikassa: DNA:n siirto bakteriofagien välityksellä

Transduktio genetiikassa: miten bakteriofagit siirtävät DNA:ta bakteerien välillä, kiihdyttävät antibioottiresistenssiä ja toimivat tehokkaina virusvektoreina tutkimuksessa.

Transduktio on horisontaalisen geeninsiirron muoto, jossa DNA siirretään bakteerista toiseen viruksen avulla. Bakteriofagi toimii välittäjänä: se pakkaa (usein vahingossa) bakteerin DNA:ta omien geenien sijasta ja kuljettaa sen uuteen isäntään, jossa siirtynyt DNA voi integroitua vastaanottajan perimään ja muuttaa sen ominaisuuksia.

Joshua Lederberg ja hänen jatko-opiskelijansa Norton Zinder osoittivat vuonna 1952, että bakteriofagit voivat siirtää geneettistä tietoa salmonellabakteerien välillä. Tämä löydös selitti, miten eri lajeihin kuuluvat bakteerit saattoivat hyvin nopeasti saada vastustuskyvyn samaa antibioottia vastaan, ja vakiinnutti transduktion keskeiseksi käsitteeksi mikrobigenetiikassa.

Transduktiolla tarkoitetaan myös prosessia, jossa vierasta DNA:ta siirretään toiseen soluun virusvektorin avulla. Tämä on yleinen molekyylibiologien käyttämä väline vieraan geenin siirtämiseksi isäntäsolun perimään, esimerkiksi geenien toiminnan tutkimiseen tai solulinjojen muokkaamiseen.

Kun bakteriofagit infektoivat bakteerisolun, niiden normaali lisääntymistapa on valjastaa isäntäsolun replikaatio-, transkriptio- ja translaatiokoneisto tuottamaan lukuisia täydellisiä virushiukkasia, mukaan lukien virus-DNA tai -RNA ja proteiinikuori. Tässä prosessissa tapahtuvat virheet voivat johtaa siihen, että virus siirtää DNA:ta bakteerista toiseen. Lisäksi jotkin fagit voivat integroitua isännän kromosomiin lepovaiheessa (lysogeenia), mistä voi seurata erityinen transduktion muoto.

Yleistynyt transduktio

Yleistyneessä transduktiossa lyyttisesti lisääntyvä fagi kapsidoi vahingossa pienen määrän isäntäbakteerin satunnaista kromosomaalista DNA:ta. Tällainen ”transduusoiva partikkeli” ei yleensä sisällä toimivaa virusgenomia, mutta se voi kiinnittyä uuteen bakteeriin ja ruiskuttaa siihen aiemmin pakatun bakteeri-DNA:n. Jos siirtynyt DNA on riittävän samankaltainen vastaanottajan kanssa, se voi vaihtua paikalleen homologisella rekombinaatiolla, jolloin vastaanottaja saa pysyvän geneettisen muutoksen.

• Voi siirtää lähes mitä tahansa bakteerikromosomin aluetta.
• Mahdollistaa geenien keskinäisen etäisyyden arvioinnin kotranskduktiotaajuuksien avulla genetiikan kartoituksessa.
• Tyypillinen joillekin laajaa DNA-pakkausta salliville fageille.

Erikoistunut transduktio

Erikoistuneessa transduktiossa temperaattifagi integroituu tiettyyn kohtaan isännän kromosomissa ja siirtyy myöhemmin takaisin lyyttiseen kiertoon. Jos poistuminen tapahtuu epätarkasti, fagi vie mukaansa viereisiä bakteerigeenejä ja menettää osan omasta DNA:staan. Näin se voi kuljettaa vain rajoitettua, integroitumiskohdan läheistä bakteeri-DNA:ta seuraavaan isäntään.

• Siirto rajoittuu prophagin kiinnittymiskohdan (att-paikka) lähialueille.
• Voi aiheuttaa lysogeenisen konversion, jossa bakteeri saa uusia ominaisuuksia (esim. toksiinin tuoton) fagigeenien tai viereisten bakteerigeenien myötä.
• Kytkeytynyt aina temperaattifagien integraatioon ja epätarkkaan eksissioon.

Abortiivi transduktio ja rekombinaation merkitys

Jos siirretty DNA ei integroidu kromosomiin, se voi säilyä solussa tilapäisesti ilman pysyvää periytymistä; tätä kutsutaan abortiivi transduktioksi. Pysyvän muutoksen synty edellyttää tyypillisesti vastaanottajan rekombinaatiokoneiston (esim. RecA-välitteinen homologinen rekombinaatio) toimintaa, tai vaihtoehtoisesti siirtynyt DNA voi olla autonominen elementti, kuten plasmidi.

Merkitys bakteerien evoluutiossa ja lääketieteessä

Transduktio on keskeinen horisontaalisen geeninsiirron väylä yhdessä transformaation ja konjugaation kanssa. Sen seurauksena voivat levitä:

• Antibioottiresistenssi: resistenssigeenien siirtyminen populaatioissa ja jopa lajien välillä.
• Virulenssitekijät: toksiinien ja muiden patogeenisuutta lisäävien geenien hankinta, mikä voi muuttaa kantojen taudinaiheuttamiskykyä.
• Metaboliset ominaisuudet: uudet aineenvaihduntareitit tai ympäristösopeumat.

Ero muihin geeninsiirron muotoihin

• Transformaatio: solu ottaa ympäristöstään vapaata DNA:ta ilman virusten väliintuloa.
• Konjugaatio: solusta toiseen tapahtuva DNA:n siirto solukontaktin ja konjugaatiopiluksen välityksellä.
• Transduktio: DNA:n siirto tapahtuu fagien pakkaus- ja infektiosyklin sivutuotteena tai lysogeenisen konversion seurauksena.

Sovellukset ja rajoitteet

Tutkimuksessa transduktiota hyödynnetään mm. bakteerikantojen geenikartoituksessa, tarkasti määriteltyjen mutaatioiden siirtämisessä taustakantoihin sekä valikoitujen ominaisuuksien yhdistämisessä. Laajemmassa merkityksessä transduktio kattaa myös vieraan DNA:n siirron toiseen soluun virusvektorin avulla, mikä on keskeinen työkalu geenien toiminnan tutkimuksessa ja biotekniikassa.

• Kokorajoitukset: fagin kapsidiin mahtuvan DNA:n pituus rajoittaa siirrettävän materiaalin määrää.
• Isäntäalue: fagien kyky infektoida vain tiettyjä bakteerilajeja määrittää siirron mahdollisuudet.
• Taajuus: tapahtuma on harvinainen, ja onnistuminen riippuu sekä pakkausvirheistä että vastaanottajan rekombinaatiosta.
• Turvallisuus: virusvälitteisiä menetelmiä sovellettaessa huomioidaan biosuojelu, kohdespesifisyys ja ei-toivottujen geenien siirtymisen estäminen.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on transduktio?

K: Kuka löysi bakteriofagien kyvyn siirtää geneettistä tietoa bakteerien välillä?

K: Miksi transduktio on tärkeää antibioottiresistenssin ymmärtämisen kannalta?

K: Mikä on yleinen väline, jota molekyylibiologit käyttävät vieraan geenin siirtämiseksi isäntäsolun perimään?

K: Miten bakteriofagit lisääntyvät?

Kysymys: Mitkä virheet bakteriofagien lisääntymisprosessissa voivat johtaa siihen, että virus siirtää DNA:ta bakteerista toiseen?

K: Miten transduktio tapahtuu virusvektorin kautta?

Hae kirjaimella