Wikipedia

Axente de transferencia de xenes

Os axentes de transferencia de xenes ou ATX (ou, en inglés, GTA, de gene transfer agent, sigla que se utilizará neste artigo) son partículas similares a virus que conteñen ADN producidas por algunhas bacterias e arqueas que interveñen na transferencia horizontal de xenes. En varias liñaxes de bacterias e arqueas orixináronse distintos tipos destes axentes de transferencia de xenes de forma independente a partir de virus. Estes procariotas producen partículas de axentes de transferencia de xenes que conteñen segmentos curtos do ADN presente na célula. Unha vez que as partículas se liberan da célula que as produce, poden adherirse a células relacionadas e inxectar o seu ADN no seu citoplasma. Este ADN pode despois converterse en parte do xenoma da célula receptora.[1][2][3][4]

Comparación dunha infección típica por fagos (bacteriófagos) e a transdución (A) coa produción típica dun axente de transferencia de xenes e a transdución (B).

Descubrimento dos axentes de transferencia de xenes editar

 
Métodos para detectar axentes de transferencia de xenes. (A) Método usado por Marrs en 1974. (B) Método do extracto libre de células.

O primeito sistema GTA descubriuse en 1974, cando cultivos mesturados de cepas de Rhodobacter capsulatus producían unha alta frecuencia de células con novas combinacións de xenes.[5] O factor responsable era distinto dos mecanismos xa coñecidos de transferencia de xenes por ser independente do contacto coas células, insensible á desoxirribonuclease e non estar asociado coa produción de fagos. Debido á función que se lle supoñía foron denominados axentes de transferencia de xenes ou GTA (polas súas siglas en inglés), agora RcGTA. Máis recentemente descubríronse outros sistemas de transferencia de xenes ao incubar medio de cultivo filtrado (libre de células) cunha cepa xeneticamente distinta.[3]

Xenes GTA e evolución editar

 
Agrupacións de xenes GTA e profago típicos.
 
Diagrama esquemático das rfelacións filoxénicas entre axentes de transferencia de xenes bacterianos coñecidos.
 
Forzas evolutivas que actúan sobre os axentes de transferencia de xenes bacterianos e as células que as producen.

Os xenes que especifican os GTA derivan de ADN de bacteriófagos (fagos) que se integrou no cromosoma do hóspede. Ditos profagos adoitan adquirir mutacións que os fan defectivos e incapaces de producir partículas de fagos. Moitos xenomas bacterianos conteñen un ou máis profagos defectivos que sufriron mutacións e delecións máis ou menos grandes. Os axentes de transferencia de xenes, como profagos defectivos, orixínanse por mutacións de profagos, pero conservan xenes funcionais para os compoñentes da cabeza e cola da partícula do fago (xenes estruturais) e os xenes para o empaquetado do ADN. Os xenes do fago que especifican a súa regulación e a replicación do ADN foron normalmente eliminados, e a expresión da agrupación ou cluster de xenes estruturais está baixo o control de sistemas regulatorios celulares. Adoitan estar presentes tamén xenes adicionais que contribúen á produción ou captación de GTA e están situados noutros lugares do cromosoma. Algúns destes xenes teñen funcións regulatorias e outros contribúen directamente á produción de GTA (por exemplo os xenes de lise derivados de fagos) ou á captación e recombinación (por exemplo a produción de cápsulas na superficie celular e proteínas de transporte de ADN). Estes xenes asociados a GTA están a miúdo baixo regulación coordinada co cluster de xenes GTA principal.[6] As proteínas de lise celular derivadas de fagos (holinas e endolisinas) debilitan despois a parede celular e a membrana celular, o que permite que a célula explote e libere as partículas GTA. O número de particulas GTA producidas por cada célula non se coñece.

Algúns sistemas GTA parecen ser adicións recentes aos xenomas do hóspede, mais outros levan nos seus hóspedes moitos millóns de anos. Nos casos nos que se fixeron estudos de diverxencia de secuencias (análises dN/dS), observouse que os xenes foron mantidos nas células por selección natural da función proteica (é dicir, as versións defectivas están sendo eliminadas).[7][8]

Porén, a natureza desta selección non está clara. Aínda que o descubrimento dos GTA asumía que a función destas partículas era a transferencia de xenes, os beneficios que se supón produce a transferencia de xenes están asociados cun custo substancial para a poboación. A maioría destes custos orixínanse porque as células produtoras de GTA deben sufrir lise (explotan) para liberar as súas partículas GTA, pero hai tamén custos xenéticos asociados con facer novas combinacións de xenes, porque a maioría das novas combinacións normalmente serán menos apropiadas que a combinación orixinal.[9] Unha explicación alternativa é que os xenes GTA persisten porque os GTA son parasitos xenéticos que se espallan de maneira infecciosa a novas células. Porén, isto está descartado porque as partículas GTA son tipicamente demasiado pequenas para conter os xenes que as codifican. Por exemplo, o principal cluster RcGTA (véxase máis adiante) ten unha lonxitude de 14 kb, pero as partículas RcGTA poden conter como máximo 4–5 kb de ADN.   

Non se fixeron cribados da maioría das bacterias para detectar a presenza de GTAs, e seguramente haberá moitos máis sistemas GTA que aínda están sen descubrir. Aínda que os estudos baseadas no ADN de xenes relacionados con GTA atoparon homólogos en moitos xenomas, a súa interpretación está dificultada pola dificultade que hai para distinguir os xenes que codifican GTAs dos xenes ordinarios de profagos.[7] [8]

Produción de GTA editar

 
Pasos típicos para a produción de axentes de transferencia de xenes bacterianos. (1) Transcrición e tradución de xenes GTA. (2) Ensamblaxe de proteínas estruturais GTA formando cabezas baleiras e colas separadas. (3) Empaquetado de segmentos de ADN nas cabezas e unión das colas. (4) Lise da célula.

En cultivos de laboratorio, a produción de GTAs está normalmente maximizada para condicións de crecemento determinadas que inducen a transcrición de xenes GTA; a maioría dos GTAs non están inducidos polos tratamentos que danan o ADN que causan a indución de moitos profagos. Mesmo en condicións de máxima indución só unha pequena fracción dos cultivos produce GTAs, xeralmente menos do 1%.[10][11]

Os pasos seguidos na produción de GTA derivan dos pasos na infección de fagos. Os xenes estruturais son os primeiros que se transcriben e traducen e as proteínas ensámblanse formando as cabezas inicialmente baleiras e colas separadas. A maquinaria de empaquetado do ADN empaqueta despois o ADN dentro das cabezas, cortando o ADN cando a cabeza xa está chea, unindo a cola á cabeza e despois pasando o extremo do ADN acabado de crear a unha nova cabeza baleira. A diferenza dos xenes de profagos, os xenes que codifican GTAs non son escindidos do xenoma e replicados para o empaquetamento en partículas GTA. Os dous GTAs mellor estudados (RcGTA e BaGTA) empaquetan aleatoriamente todo o ADN da célula, sen que haxa unha sobrerrepresentación nel de xenes que codifican GTAs.[10][12] O número de partículas GTA producidas por cada célula non se coñece.

Transdución mediada por GTA editar

 
Transdución xenética por axentes de transferencia de xenes bacterianos. (1) As partículas de GTA encontran unha célula receptora axeitada. (2) As partículas únense á célula e inxectan o seu ADN, e as proteínas celulares translocan o ADN a través da membrana bacteriana interna. (3) O ADN é degradado se non pode recombinarse co xenoma do receptor. (4) O ADN con secuencias similares do xenoma receptor sofre recombinación.

Que as partículas GTA orixinen a transferencia do ADN a novos xenomas depende de varios factores. Primeiro, as partículas deben sobrevivir no ambiente natural e sábese pouco disto, aínda que se informou que as partículas son bastante inestables en condicións de laboratorio.[13] Segundo, as partículas deben encontrar células receptoras axeitadas e unirse a elas, xeralmente membros da mesma especie ou de especies moi emparentadas. Igual que os fagos, os GTAs únense a proteínas específicas ou estruturas de carbohidratos da superfice da célula receptora antes de inxectaren o seu ADN. A diferenza dos fagos, os GTAs que foron ben estudados parecen inxectar o seu ADN só a través da primeira das dúas membranas que rodean o citoplasma de moitas células bacterianas receptoras e usan un sistema diferente, derivado da competencia e non derivado de fago, para transportar unha febra do ADN bicatenario a través da membrana interna cara ao citoplasma.[14][15]

Se a maquinaria de reparación recombinacional da célula encontra unha secuencia cromosómica moi similar á do ADN entrante, substitúe o anterior por este último por medio de recombinación homóloga, mediada pola proteína celular RecA. Se as secuencias non son idénticas isto producirá unha célula cunha nova combinación xenética. Non obstante, se o ADN entrante non está esteitamente relacionado con secuencias de ADN da célula, será degradado e a célula reutilizará os seus nucleótidos para a replicación normal do ADN.

Sistemas GTA específicos editar

RcGTA (Rhodobacter capsulatus) editar

 
Diagrama de regulación do RcGTA, o axente de transferencia de xenes de Rhodobacter capsulatus

O GTA producido pola alfaproteobacteria Rhodobacter capsulatus, o cal se denomina RcGTA (GTA de R. capsulatus), é hoxe o GTA mellor estudado. Cando cultivos de laboratorio de R. capsulatus entran en fase estacionaria, algunhas das poboacións bacterianas inducen a produción de RcGTA, e as partículas son seguidamene liberadas da célula por lise celular.[11] A maioría dos xenes estruturais do RcGTA están codificados nun cluster xenético de ~ 15 kb do cromosoma bacteriano. Porén, cómpren tamén outros xenes para o funcionamento do RcGTA, como os xenes necesarios para a lise da célula, que están situados separadamente.[2][16] As partículas RcGTA conteñen fragmentos de ADN de 4,5 kb. 

En R. capsulatus é onde se estudou mellor a regulación da produción de GTA, onde un sistema de percepción do quórum e un CtrA-phosphorelay[17] controlan a expresión non só do cluster xénico principal RcGTA senón tamén dun sistema de lise celular holina/endolisna, das espículas das partículas da cabeza, así como dunha proteína de adhesión (posiblemente fibras da cola) e da cápsula e dos xenes de procesamento do ADN necesarios para a función receptora do RcGTA. Un proceso estocástico non caracterizado limita adicionalmente a expresión do cluster xénico a só 0,1-3% das células.  

Clusters similares a RcGTA encontráronse nun gran subclado de alfaproteobacterias, aínda que estes xenes parece que frecuentemente se perderon por deleción. Recentemente, varios membros da orde Rhodobacterales demostraron producir partículas funcionais de tipo RcGTA. Grupos de xenes con homoloxía co RcGTA están presentes nos cromosomas de varios tipos de alfaproteobacterias.[7]

DsGTA (Dinoroseobacter shibae) editar

Dinoroseobacter shibae, igual que R. capsulatus, é un membro da orde Rhodobacterales, e os seus GTA teñen un antepasado común e moitas características do RcGTA, incluíndo a organización do xene, o empaquetamento de fragmentos curtos de ADN (4,2 kb) e a regulación por percepción do quórum e por un CtrA-phosphorelay.[18] Porén, a súa maquinaria de empaquetamento do ADN ten moita máis especificidade, e suxeriuse que pode iniciar preferentemente o empaquetado en puntos específicos do xenoma. O ADN do maior cluster xénico de DsGTA é escasamente empaquetado.   

BaGTA (Bartonella species) editar

As especies do xénero Bartonella pertencen ás Alphaproteobacteria igual que R. capsulatus e D. shibae, pero o BaGTA non está relacionado co RcGTA ou o DsGTA.[19] As partículas BaGTA son máis grandes que as RcGTA e conteñen fragmentos de ADN de 14 kb. Aínda que esta capacidade podería en principio permitir que o BaGTA se empaquetase e transmitise o seu cluster GTA de 14 kb, as medidas de cobertura do ADN mostran unha reducida cobertura do cluster. Unha rexión adxacente de alta cobertura pénsase que se debe á replicación local do ADN.[12]

VSH-1 (Brachyspira hyodysenteriae) editar

Brachyspira é un xénero de espiroquetas no que varias especies teñen clusters de xenes homólogos de GTA. As partículas conteñen fragmentos de ADN de 7,5 kb. A produción de VSH-1 é estimulada polo axente que dana o ADN mitomicina C e por algúns antibióticos. Está tamén asociado cunha lise celular detectable, o que indica que unha fracción substancial do cultivo pode estar producindo VSH-1.[20]

Dd1 (Desulfovibrion desulfuricans) editar

Desulfovibrion desulfuricans é unha bacteria do solo pertencente ás deltaproteobacterias. O Dd1 empaqueta fragmentos de ADN de 13,6 kb.

VTA (Methanococcus voltae) editar

Methanococcus voltae é unha arquea. O seu GTA transfire fragmentos de ADN de 4,4 kb, pero non se determinaron máis características.[21]

Notas editar

  1. ↑ Lang AS, Westbye AB, Beatty JT (September 2017). "The Distribution, Evolution, and Roles of Gene Transfer Agents in Prokaryotic Genetic Exchange". Annual Review of Virology 4 (1): 87–104. PMID 28784044. doi:10.1146/annurev-virology-101416-041624. 
  2. ↑ 2,0 2,1 Lang AS, Zhaxybayeva O, Beatty JT (June 2012). "Gene transfer agents: phage-like elements of genetic exchange". Nature Reviews. Microbiology 10 (7): 472–82. PMC 3626599. PMID 22683880. doi:10.1038/nrmicro2802. 
  3. ↑ 3,0 3,1 Stanton TB (April 2007). "Prophage-like gene transfer agents-novel mechanisms of gene exchange for Methanococcus, Desulfovibrio, Brachyspira, and Rhodobacter species". Anaerobe 13 (2): 43–9. PMID 17513139. doi:10.1016/j.anaerobe.2007.03.004. 
  4. ↑ Grüll MP, Mulligan ME, Lang AS (October 2018). "Small extracellular particles with big potential for horizontal gene transfer: membrane vesicles and gene transfer agents". FEMS Microbiology Letters 365 (19). PMID 30085064. doi:10.1093/femsle/fny192. 
  5. ↑ Marrs B (March 1974). "Genetic recombination in Rhodopseudomonas capsulata". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 71 (3): 971–3. PMC 388139. PMID 4522805. doi:10.1073/pnas.71.3.971. 
  6. ↑ Westbye AB, Beatty JT, Lang AS (August 2017). "Guaranteeing a captive audience: coordinated regulation of gene transfer agent (GTA) production and recipient capability by cellular regulators". Current Opinion in Microbiology 38: 122–129. PMID 28599143. doi:10.1016/j.mib.2017.05.003. 
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Shakya M, Soucy SM, Zhaxybayeva O (July 2017). "Insights into origin and evolution of α-proteobacterial gene transfer agents". Virus Evolution 3 (2): vex036. PMC 5721377. PMID 29250433. doi:10.1093/ve/vex036. 
  8. ↑ 8,0 8,1 Tamarit D, Neuvonen MM, Engel P, Guy L, Andersson SG (February 2018). "Origin and Evolution of the Bartonella Gene Transfer Agent". Molecular Biology and Evolution 35 (2): 451–464. PMID 29161442. doi:10.1093/molbev/msx299. 
  9. ↑ Redfield RJ, Soucy SM (2018). "Evolution of Bacterial Gene Transfer Agents". Frontiers in Microbiology (en inglés) 9: 2527. PMC 6209664. PMID 30410473. doi:10.3389/fmicb.2018.02527. 
  10. ↑ 10,0 10,1 Hynes AP, Mercer RG, Watton DE, Buckley CB, Lang AS (July 2012). "DNA packaging bias and differential expression of gene transfer agent genes within a population during production and release of the Rhodobacter capsulatus gene transfer agent, RcGTA". Molecular Microbiology 85 (2): 314–25. PMID 22640804. doi:10.1111/j.1365-2958.2012.08113.x. 
  11. ↑ 11,0 11,1 Fogg PC, Westbye AB, Beatty JT (2012). Banfield BW, ed. "One for all or all for one: heterogeneous expression and host cell lysis are key to gene transfer agent activity in Rhodobacter capsulatus". PLOS ONE 7 (8): e43772. Bibcode:2012PLoSO...743772F. PMC 3423380. PMID 22916305. doi:10.1371/journal.pone.0043772. 
  12. ↑ 12,0 12,1 Berglund EC, Frank AC, Calteau A, Vinnere Pettersson O, Granberg F, Eriksson AS, Näslund K, Holmberg M, Lindroos H, Andersson SG (July 2009). "Run-off replication of host-adaptability genes is associated with gene transfer agents in the genome of mouse-infecting Bartonella grahamii". PLoS Genetics 5 (7): e1000546. PMC 2697382. PMID 19578403. doi:10.1371/journal.pgen.1000546. 
  13. ↑ Marrs, B.; Yen, H. C.; Solioz, M. (1975-08-01). "Release and uptake of gene transfer agent by Rhodopseudomonas capsulata.". Journal of Bacteriology (en inglés) 123 (2): 651–657. ISSN 1098-5530. PMC 235772. PMID 1150627. 
  14. ↑ Brimacombe CA, Stevens A, Jun D, Mercer R, Lang AS, Beatty JT (February 2013). "Quorum-sensing regulation of a capsular polysaccharide receptor for the Rhodobacter capsulatus gene transfer agent (RcGTA)". Molecular Microbiology 87 (4): 802–17. PMC 3641046. PMID 23279213. doi:10.1111/mmi.12132. 
  15. ↑ Brimacombe CA, Ding H, Johnson JA, Beatty JT (August 2015). "Homologues of Genetic Transformation DNA Import Genes Are Required for Rhodobacter capsulatus Gene Transfer Agent Recipient Capability Regulated by the Response Regulator CtrA". Journal of Bacteriology 197 (16): 2653–63. PMC 4507343. PMID 26031909. doi:10.1128/JB.00332-15. 
  16. ↑ Westbye AB, Leung MM, Florizone SM, Taylor TA, Johnson JA, Fogg PC, Beatty JT (November 2013). "Phosphate concentration and the putative sensor kinase protein CckA modulate cell lysis and release of the Rhodobacter capsulatus gene transfer agent". Journal of Bacteriology 195 (22): 5025–40. PMC 3811591. PMID 23995641. doi:10.1128/JB.00669-13. 
  17. ↑ Un phosphorelay, é dicir, fosforrelevo, é un sistema formado por encimas con varios dominios xunto con outros encimas adicionais, que se van fosforilando, pasándose os fosfatos uns a outros (relévanse), como os das histidina quinases bacterianas.
  18. ↑ Tomasch J, Wang H, Hall AT, Patzelt D, Preusse M, Petersen J, Brinkmann H, Bunk B, Bhuju S, Jarek M, Geffers R, Lang AS, Wagner-Döbler I (January 2018). "Packaging of Dinoroseobacter shibae DNA into Gene Transfer Agent Particles Is Not Random". Genome Biology and Evolution 10 (1): 359–369. PMC 5786225. PMID 29325123. doi:10.1093/gbe/evy005. 
  19. ↑ Québatte M, Christen M, Harms A, Körner J, Christen B, Dehio C (June 2017). "Gene Transfer Agent Promotes Evolvability within the Fittest Subpopulation of a Bacterial Pathogen". Cell Systems 4 (6): 611–621.e6. PMC 5496983. PMID 28624614. doi:10.1016/j.cels.2017.05.011. 
  20. ↑ Motro Y, La T, Bellgard MI, Dunn DS, Phillips ND, Hampson DJ (March 2009). "Identification of genes associated with prophage-like gene transfer agents in the pathogenic intestinal spirochaetes Brachyspira hyodysenteriae, Brachyspira pilosicoli and Brachyspira intermedia". Veterinary Microbiology 134 (3–4): 340–5. PMID 18950961. doi:10.1016/j.vetmic.2008.09.051. 
  21. ↑ Bertani G (May 1999). "Transduction-like gene transfer in the methanogen Methanococcus voltae". Journal of Bacteriology 181 (10): 2992–3002. PMC 93752. PMID 10321998. 

Véxase tamén editar

Outros artigos editar

Traído desde «https://gl.wikipedia.org/w/index.php?title=Axente_de_transferencia_de_xenes&oldid=6574995»