VODORAVNI PRENOS GENOV: MEHANIZMI IN PRIMERI - BIOLOGIJA - 2025

Horizontalni prenos genov ali bočni prenos genov je izmenjava genskega materiala med organizmi, ki se ne pojavlja v družinah. Ta dogodek se odvija med posamezniki iste generacije in se lahko zgodi pri enoceličnih ali večceličnih bitjih.

Vodoravni prenos poteka preko treh glavnih mehanizmov: konjugacije, transformacije in transdukcije. Pri prvi vrsti je možna izmenjava dolgih fragmentov DNK, pri zadnjih dveh pa je prenos omejen na majhne segmente genskega materiala.

Bakterija. THG je pogost v teh organizmih. Vir pixabay.com

Nasprotni koncept je vertikalni prenos genov, kjer genska informacija prehaja iz organizma v njegove potomce. Ta proces je razširjen pri evkariotih, kot so rastline in živali. V nasprotju s tem je vodoravni prenos pogost pri mikroorganizmih.

Pri evkariotih horizontalni prenos ni tako pogost. Vendar obstajajo dokazi o izmenjavi tega pojava, tudi prednikov ljudi, ki so z virusi pridobili določene gene.

Kaj je vodoravni prenos genov?

Med razmnoževanjem evkariontski organizmi prenašajo svoje gene iz ene generacije na svoje potomce (otroke) v postopku, znanem kot vertikalni prenos genov. Prokarioti izvajajo tudi ta korak, vendar z aseksualnim razmnoževanjem s cepljenjem ali drugimi mehanizmi.

Vendar pa v prokariotih obstaja drug način izmenjave genskega materiala, imenovan horizontalni prenos genov. Tu se fragmenti DNK izmenjujejo med organizmi iste generacije in lahko prehajajo iz ene vrste v drugo.

Horizontalni prenos je med bakterijami razmeroma pogost. Vzemimo primer genov, ki povzročajo odpornost na antibiotike. Ti pomembni fragmenti DNK se normalno prenašajo med bakterijami različnih vrst.

Ti mehanizmi vključujejo pomembne zdravstvene zaplete pri zdravljenju okužb.

Mehanizmi

Obstajajo trije temeljni mehanizmi, s pomočjo katerih se lahko DNK izmenjuje z vodoravnim prenosom. To so konjugacija, preobrazba in transdukcija.

Konjugacija

Prenos genov s konjugacijo je edina vrsta, ki vključuje neposreden stik med obema bakterijama.

Vendar pa je ne smemo primerjati z izmenjavo genov s spolno razmnoževanjem (kjer je običajno stik med vpletenimi organizmi), saj je postopek zelo drugačen. Med glavnimi razlikami je odsotnost mejoze.

Med konjugacijo poteka prehod genetskega materiala iz ene bakterije v drugo s fizičnim stikom, ki ga vzpostavi struktura, imenovana pili. To deluje kot povezovalni most, kjer pride do izmenjave.

Čeprav se bakterije ne razlikujejo po spolu, je organizem, ki nosi majhen krožni DNK, znan kot faktor F (plodnost f), znan kot "moški". Te celice so darovalci med konjugacijo, prenašajo material v drugo celico, ki nima faktorja.

DNK faktorja F sestavlja približno 40 genov, ki nadzorujejo podvajanje spolnega faktorja in sintezo spolnih pilijev.

Prvi dokazi postopka konjugacije izvirajo iz poskusov Lederberg in Tatum, vendar je Bernard Davis končno pokazal, da je stik potreben za prenos.

Transformacija

Preoblikovanje vključuje odvzem gole molekule DNK, ki ga najdemo v okolju blizu gostiteljskih bakterij. Ta del DNK izvira iz druge bakterije.

Postopek lahko poteka naravno, saj se populacije bakterij običajno preobrazijo. Podobno lahko transformacijo simuliramo v laboratoriju, da prisili bakterije, da prevzamejo zanimivo DNK, ki se nahaja zunaj.

Teoretično lahko vzamemo kateri koli del DNK. Vendar pa je bil opažen postopek, ki vključuje majhne molekule.

Transdukcija

Končno se mehanizem transdukcije zgodi s pomočjo faga (virusa), ki nosi DNK iz bakterije darovalke do prejemnika. Kot v prejšnjem primeru je tudi količina prenesene DNK razmeroma majhna, saj je sposobnost virusa, da nosi DNK, omejena.

Običajno je ta mehanizem omejen na bakterije, ki so filogenetsko blizu, saj se mora virus, ki nosi DNK, povezati s specifičnimi receptorji na bakterijo, da se material vbrizga.

Primeri

Endonukleaze so encimi, ki lahko od znotraj razbijejo fosfodiesterske vezi v polinukleotidni verigi - zato so znani kot "endo". Ti encimi se ne režejo nikjer, za to imajo določena mesta, imenovana restrikcijska mesta.

Zaporedja aminokislin za encimov EcoRI (v E. coli) in RSRI (v Rhodobacter sphaeroides) imajo zaporedje skoraj 300 aminokislinskih ostankov, ki so 50% enaki drug drugemu, kar jasno kaže na tesno evolucijsko sorodstvo.

Vendar pa se zahvaljujoč preučevanju drugih molekularnih in biokemijskih lastnosti ti dve bakteriji zelo razlikujeta in sta s filogenetskega vidika zelo malo povezani.

Poleg tega gen, ki kodira encim EcoRI, uporablja zelo specifične kodone, ki se razlikujejo od tistih, ki jih običajno uporablja E. coli, zato obstaja sum, da gen ni izviral iz te bakterije.

Vodoravni prenos genov v evoluciji

Leta 1859 je britanski naravoslovec Charles Darwin s svojo teorijo evolucije z naravno selekcijo spremenil biološke vede. Darwin v svoji ikonični knjigi "Izvor vrst" predlaga metaforo drevesa življenja za ponazoritev rodoslovnih odnosov med vrstami.

Danes so filogenije formalna predstavitev te metafore, kjer se domneva, da prenos genetskih informacij poteka navpično - od staršev do otrok.

To vizijo lahko brez večjih nevšečnosti uporabimo za večcelične organizme in dobili bomo razvejan vzorec, kot predlaga Darwin.

Vendar je taka predstavitev vej brez zlitja težko uporabiti za mikroorganizme. Če primerjamo genome različnih prokariotov, je jasno, da obstaja velik prenos genov med rodovi.

Tako je vzorec odnosov bolj podoben mreži, ki ima veje povezane in spojene skupaj, zahvaljujoč razširjenosti horizontalnega prenosa genov.

Reference

1. Gogarten, JP in Townsend, JP (2005). Vodoravni prenos genov, inovacije in razvoj gena. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, & Palmer, JD (2008). Vodoravni prenos genov v evkariontski evoluciji. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetika: konceptualni pristop. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P., & McMillan, B. (2013). Biologija: Dinamična znanost. Nelson Education.
5. Sumbali, G., in Mehrotra, RS (2009). Načela mikrobiologije. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Vodoravni prenos genov. Akademski tisk.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Uvod v mikrobiologijo. Panamerican Medical Ed.