Bakteerien konjugaatio: horisontaalinen geeninsiirto solujen välillä
Bakteerien konjugaatio: horisontaalinen geeninsiirto, plasmidien levitys, antibioottiresistenssin mekanismit ja merkitys.
Bakteerikonjugaatio on geneettisen materiaalin siirtymistä bakteerisolujen välillä suorassa solujen välisessä kontaktissa tai kahden solun välisen sillan kaltaisen yhteyden kautta.
Konjugaatio on horisontaalisen geeninsiirron mekanismi, samoin kuin transformaatio ja transduktio, vaikka näihin kahteen muuhun mekanismiin ei liity solujen välistä kontaktia.
Bakteerien konjugaation löysivät Nobel-palkitut Joshua Lederberg ja Edward Tatum. He osoittivat, että Escherichia coli -bakteeri siirtyi seksuaaliseen vaiheeseen, jonka aikana se pystyi jakamaan geneettistä tietoa.
Bakteerikonjugaatiota pidetään usein virheellisesti sukupuolisen lisääntymisen vastineena, koska siihen liittyy geneettisen materiaalin vaihtoa. Konjugaation aikana luovuttajasolu antaa konjugoituvan tai mobilisoituvan geneettisen elementin, joka on useimmiten plasmidi tai transposoni. Useimmissa konjugatiivisissa plasmideissa on järjestelmiä, joilla varmistetaan, että vastaanottajasolu ei jo sisällä samanlaista elementtiä.
Siirretty geneettinen tieto on usein hyödyllistä vastaanottajalle. Hyötyjä voivat olla esimerkiksi antibioottiresistenssi, ksenobioottien sietokyky tai kyky käyttää uusia aineenvaihduntatuotteita. Tällaisia hyödyllisiä plasmideja voidaan pitää bakteerien endosymbionteina. Muita elementtejä voidaan kuitenkin pitää bakteerien loisina ja konjugaatiota niiden kehittämänä mekanismina, joka mahdollistaa niiden leviämisen.
Miten konjugaatio tapahtuu?
Konjugaation perusvaiheet voidaan kuvata yksinkertaistetusti seuraavasti:
- Tunnistus ja kontakti: Luovuttajasolu muodostaa vastaanottajaan yhteyden, usein sex-piliuksen (siima) avulla gram-negatiivisilla bakteereilla tai suoran solukontaktin kautta gram-positiivisilla lajeilla.
- Mating pair formation (Mpf): Solujen välinen kontakti vakautuu ja syntyy konjugaatiomosaiikki, joka mahdollistaa DNA:n siirron.
- DNA:n aktivointi ja katkaisu: Konjugatiivisen plasmidin oriT-kohdasta relaxoiva entsyymi (relaksaasi) katkaisee toisen DNA-juosteen, jolloin single-stranded DNA (ssDNA) voi siirtyä vastaanottajalle.
- Siirto ja replikaatio: Siirron aikana ssDNA kulkee siirtokanavaa pitkin; samanaikaisesti sekä luovuttajassa että vastaanottajassa tapahtuu komplementaarisen juosteen täydentävää replikaatiota (rolling-circle -replikointi).
- Elementin integrointi tai pysyminen: Vastaanottaja voi säilyttää plasmidin itsenäisenä tai—joissain tapauksissa—elementti voi integroitua vastaanottajan kromosomiin (esim. integrative conjugative elements, ICE).
Erityyppiset konjugoituvat elementit
- Konjugatiiviset plasmidit: Itsenäisiä DNA-molekyylejä, jotka kantavat tra-geenejä (tai vastaavia), jotka koodaavat siirtojärjestelmän ja piliuksen.
- Mobilisoitavat plasmidit: Plasmidit, jotka eivät itse pysty muodostamaan siirtokoneistoa mutta sisältävät oriT-tyyppisen kohdan ja voidaan mobilisoida toisen, konjugatiivisen plasmidin toimesta.
- Transposonit ja konjugatiiviset transposonit (ICE): DNA-elementtejä, jotka voivat hypätä genomissa ja joiden joukossa on myös kyky konjugaatiomaisen siirron toteuttamiseen.
- Hfr (high frequency recombination) -kannat: Kun F-plasmidi integroituu bakteerikromosomiin, luovuttaja voi siirtää kromosomaalista DNA:ta vastaanottajalle; tällainen siirto alkaa plasmidin oriT-kohdasta mutta jatkuu kromosomaaliselle alueelle.
Miten konjugaatio eroaa muista horisontaalisen geeninsiirron tavoista?
Konjugaatio erottaa itsensä muista mekanismeista seuraavilla tavoilla:
- Se vaatii usein suoran solujen välisen kontaktin, toisin kuin transformaatio (vapaa DNA:n otto ympäristöstä) ja transduktio (bakteriofagin välittämä siirto).
- Usein siirrettävä elementti on plasmidimuotoinen ja kantaa itsenäisen siirtojärjestelmän geenit.
- Konjugaatio voi siirtää laajoja DNA-osioita, mukaan lukien plasmidi- ja kromosomaalista materiaalia, mikä tekee siitä erityisen tehokkaan geenien leviämisen mekanismin mikrobiympäristöissä.
Biologinen ja yhteiskunnallinen merkitys
Konjugaatio on keskeinen mekanismi antibioottiresistenssigeenien leviämisessä. Monet resistenssigeenit sijaitsevat konjugatiivisissa plasmideissa (esim. R-plasmidit), mikä mahdollistaa nopean leviämisen bakteeripopulaatioissa ja lajien välillä. Lisäksi konjugaatio voi levittää virulenssitekijöitä, aineenvaihduntageenejä ja muita ominaisuuksia, jotka muuttavat mikrobien ekologista roolia ja patogeenisuutta.
Ekologisia seurauksia:
- Biofilmeissä konjugaatio on erityisen tehokasta, koska solujen tiivis läheisyys helpottaa kontaktia.
- Ympäristössä oleva kemikaalipaine (kuten antibiootit, raskasmetallit) voi valita konjugatiivisia plasmideja kantavia bakteereja, jolloin resistenssi ja muut ominaisuudet leviävät.
Tutkimus- ja laboratoriokäyttö
Konjugaatiota käytetään laboratoriopuolella muun muassa bakteerigeenejä mapattaessa (Hfr-menetelmät), plasmidien siirroissa ja molekyylibiologisissa manipuloinnissa (vlk. plasmidin levitys vastaanottajakantoihin). Konjugatiivisia järjestelmiä on myös hyödynnetty geeninsiirrossa ja synteettisessä biologiassa, mutta ne vaativat huolellista biosafety-arviointia.
Rajoitukset ja kontrollimekanismit
- Pintaeristys (surface/entry exclusion): Monet plasmidit sisältävät mekanismeja, jotka estävät samanlaisen plasmidin siirtymisen soluun, mikä auttaa ylläpitämään plasmidin yksilöllisyyttä populaatiossa.
- Plasmidien yhteensopimattomuus (incompatibility): Tietyt plasmidityypit eivät voi pysyä yhdessä samassa solussa pitkäksi aikaa, mikä vaikuttaa plasmidikannan koostumukseen.
- Maantieteelliset ja ekologiset esteet: Eri bakteerilajit ja ympäristöt voivat rajoittaa konjugaation tehokkuutta lajirajat ylittävässä geeninsiirrossa, mutta silti tällaiset siirrot tapahtuvat ja ovat kliinisesti merkityksellisiä.
Ennaltaehkäisy ja seuranta
Antibioottien vastuullinen käyttö, infektioiden ehkäisy, ympäristön seurantamenetelmät ja resistenssigeenien seuranta auttavat rajoittamaan konjugaation välityksellä tapahtuvaa haitallisten ominaisuuksien leviämistä. Lisäksi tutkimus plasmidien leviämisen estoista ja vaihtoehtoisista hoitomenetelmistä (esim. fagihoito, plasmidien poistoon tähtäävät strategiat) on aktiivista.
Yhteenveto
Konjugaatio on tehokas ja laajalti levinnyt mikrobien välinen geeninsiirtomekanismi, jolla on suuri vaikutus bakteerien evoluutioon, ekologiseen dynamiikkaan ja kliinisiin haasteisiin, kuten antibioottiresistenssin leviämiseen. Sen ymmärtäminen auttaa kehittämään keinoja seurata ja hillitä haitallisten geenien leviämistä sekä hyödyntämään mekanismia turvallisesti bioteknologisissa sovelluksissa.
Mekanismi
Konjugatiivinen perusplasmidi on F-plasmidi eli F-faktori. F-plasmidi on episomi (plasmidi, joka voi integroitua bakteerin kromosomiin), jonka pituus on noin 100 000 emäsparia.
Tietyssä bakteerissa voi olla vain yksi kopio F-plasmidia, joko vapaana tai integroituneena, ja bakteereja, joilla on kopio, kutsutaan F-positiivisiksi tai F-plus-bakteereiksi (merkintä F +). Soluja, joista puuttuu F-plasmidi, kutsutaan F-negatiivisiksi tai F-miinuksiksi (F -), ja ne voivat toimia vastaanottajasoluina.
Bakteerikonjugaation kaaviokuva. Konjugaatiokaavio 1- Luovuttajasolu tuottaa piluksen. 2- Pilus kiinnittyy vastaanottajasoluun ja yhdistää nämä kaksi solua. 3- Liikkuva plasmidi niksautetaan ja yksittäinen DNA-juoste siirtyy vastaanottajasoluun. 4- Molemmat solut syntetisoivat komplementaarisen säikeen tuottaakseen kaksisäikeisen ympyränmuotoisen plasmidin ja tuottaakseen myös pilejä; molemmat solut ovat nyt elinkelpoisia luovuttajia.
Kuntien välinen siirto
Typpeä sitovat Rhizobiat ovat mielenkiintoinen tapaus valtakuntien välisestä konjugaatiosta.
Esimerkiksi Agrobacteriumin kasvainta aiheuttava (Ti) plasmidi ja A. rhizogenesin juurikasvainta aiheuttava (Ri) plasmidi sisältävät geenejä, jotka voivat siirtyä kasvisoluihin. Nämä geenit tekevät kasvisoluista tehtaita, jotka tuottavat kemikaaleja, joita bakteerit käyttävät typen ja energian tuotantoon. Infektoituneet solut muodostavat kruunupalloja tai juurikasvaimia. Ti- ja Ri-plasmidit ovat siis bakteerien endosymbiontteja, jotka puolestaan ovat tartunnan saaneen kasvin endosymbiontteja (tai loisia).
Geenitekniikka
Konjugaatio on kätevä keino siirtää geneettistä materiaalia erilaisiin kohteisiin. Laboratorioissa on raportoitu onnistuneista siirroista bakteereista hiivaan, kasveihin, nisäkässoluihin ja eristettyihin nisäkkäiden mitokondrioihin.
Konjugaatiolla on etuja muihin geneettisen siirron muotoihin verrattuna. Kasvinsuojelussa Agrobacteriumin kaltainen konjugaatio täydentää muita vakiovälineitä, kuten tupakan mosaiikkivirusta (TMV). Vaikka TMV kykenee tartuttamaan monia kasviryhmiä, nämä ovat pääasiassa ruohovartisia kaksisirkkaisia kasveja. Agrobacteriumin kaltaista konjugaatiota käytetään myös ensisijaisesti kaksisirkkaisiin kasveihin, mutta yksisirkkaiset vastaanottajat eivät ole harvinaisia.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on bakteerikonjugaatio?
V: Bakteerikonjugaatio on geneettisen materiaalin siirtymistä bakteerisolujen välillä suorassa solujen välisessä kontaktissa tai kahden solun välisen sillan kaltaisen yhteyden kautta.
K: Mitä muita horisontaalisen geeninsiirron mekanismeja on olemassa?
V: Muita horisontaalisen geeninsiirron mekanismeja ovat transformaatio ja transduktio, vaikka näihin kahteen muuhun mekanismiin ei liity solujen välistä kontaktia.
K: Kuka löysi bakteerien konjugaation?
V: Bakteerikonjugaation löysivät Nobel-palkitut Joshua Lederberg ja Edward Tatum.
K: Mitä Lederberg ja Tatum osoittivat Escherichia coli -bakteerista konjugaation aikana?
V: Lederberg ja Tatum osoittivat, että Escherichia coli -bakteeri siirtyi yhdyntävaiheeseen, jonka aikana se pystyi jakamaan geneettistä tietoa.
K: Mitä luovuttajasolu tarjoaa konjugaation aikana?
V: Konjugaation aikana luovuttajasolu tarjoaa konjugoituvan tai mobilisoituvan geneettisen elementin, joka on useimmiten plasmidi tai transposoni.
K: Mitä hyötyä konjugaation aikana siirrettävästä geneettisestä informaatiosta on?
V: Konjugaation aikana siirtyvä geneettinen informaatio on usein hyödyllistä vastaanottajalle. Hyötyjä voivat olla esimerkiksi antibioottiresistenssi, ksenobioottien sietokyky tai kyky käyttää uusia aineenvaihduntatuotteita.
K: Miten joitakin konjugaation aikana siirtyviä elementtejä voidaan tarkastella?
V: Muita konjugaation aikana siirtyviä elementtejä voidaan pitää bakteerien loisina ja konjugaatiota niiden kehittämänä mekanismina, joka mahdollistaa niiden leviämisen.
Etsiä