Кіріспе

Жасушалардың клеткадан тыс ДНҚ-ны қабылдау арқылы өз генетикасын өзгерту қабілеті. Микробиология, генетика, клетка биологиясы және молекулалық биология салаларында компетенттілік – бұл клетканың трансформация деп аталатын процесте қоршаған ортадан клеткадан тыс ("жалаңаш") ДНҚ-ны қабылдау арқылы өз генетикасын өзгертуге қабілеттілігі. Компетенттілікті табиғи компетенттілік, бактериялардың табиғи жағдайларда да, зертханада да кездесетін, генетикалық тұрғыдан анықталған қабілеті, және зертханалық мәдениеттердегі жасушаларды ДНҚ-ға уақытша өткізгіш ету үшін өңделген кезде пайда болатын индукцияланған немесе жасанды компетенттілік деп ажыратуға болады. Компетенттілік клетканың жылдам бейімделуіне және ДНҚ-ны жөндеуіне мүмкіндік береді. Бұл мақалада негізінен бактериялардың табиғи компетенттілігі қарастырылады, бірақ жасанды компетенттілік туралы да ақпарат берілген.

Тарих

Табиғи құзыреттілікті 1928 жылы Фредерик Гриффит ашты, ол патогенді бактерияның өлтірілген жасушаларынан алынған препараттың туысқан, патогенді емес жасушаларды патогенді түрге айналдыра алатын нәрсесі бар екенін көрсетті. 1944 жылы Освальд Эйвери, Колин МакЛеод және Маклин МакКарти бұл "өзгерту факторының" таза ДНК екенін дәлелдеді. Бұл ДНК жасушаның генетикалық ақпаратын тасиды дегенге алғашқы нақты дәлел болды. Содан бері табиғи құзыреттілік көптеген түрлі бактерияларда зерттелді, әсіресе Bacillus subtilis, Streptococcus pneumoniae (Гриффиттің "пневмококкы"), Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae және Acinetobacter туысының өкілдерінде. Қазіргі зерттеулердің басты бағыттары ДНК тасымалдау механизмдері, әртүрлі бактериялардағы құзыреттілікті реттеу және құзыреттіліктің эволюциялық маңызын анықтау болып табылады.

ДНҚ қабылдау механизмдері

Зертханада ДНК зерттеушімен ұсынылады, көбінесе генетикалық түрлендірілген фрагмент немесе плазмида түрінде. ДНК сіңірілу кезінде жасуша мембранасы арқылы, ал егер болса жасуша қабырғасы арқылы тасымалданады. ДНК жасушаның ішіне енгеннен кейін нуклеотидтерге ыдырауы мүмкін, олар ДНК көшірмесі және басқа да метаболизмдік функциялар үшін қайта пайдаланылады. Балама ретінде, ол жасушаның ДНК жөндеу ферменттері арқылы жасушаның геномына біріктірілуі мүмкін. Егер осы рекомбинация жасушаның генотипін өзгертсе, жасуша трансформацияланған деп есептеледі. Жасанды құзыреттілік және трансформация көптеген организмдерде зерттеу құралдары ретінде қолданылады (Трансформация (генетика) қараңыз). Көптеген табиғи түрде құзыретті бактерияларда IV типті пили (фимбрияның бір түрі) деп аталатын жасушадан тыс жіпшелер, жасушадан тыс екі тізбекті ДНК-ны байланыстырады. Содан кейін ДНК-ның бір тізбегінің ыдырауымен қозғалтылатын көп компонентті ақуыздық кешендер арқылы мембрана арқылы (грам-теріс бактериялар үшін мембраналар арқылы) транслокацияланады. Жасушадағы бір тізбекті ДНК, жақсы сақталған DprA ақуызымен байланысады, ол ДНК-ны RecA-ға жүктейді, ол классикалық ДНК жөндеу жолы арқылы гомологтық рекомбинацияны қамтамасыз етеді.

Құзыретті реттеу

Зертханалық мәдениеттерде табиғи қабілеттілік әдетте қатаң реттеледі және көбінесе қоректік заттардың жетіспеуі немесе қолайсыз жағдайлармен шақырылады. Дегенмен, индукциялық сигналдар мен реттеу механизмі қабылдау механизмінен гөрі әлдеқайда өзгергіш, ал осы бактериялардың табиғи ортасындағы қабілеттіліктің реттелуі туралы аз мәлім. Қабілеттілікті реттейтін транскрипция факторлары табылды; мысалы, sxy (tfoX деп те аталады), ол өз кезегінде 5' кодтамайтын РНК элементімен реттеледі. Спора түзетін бактерияларда споралануды тудыратын жағдайлар көбінесе қабілеттілікті тудыратын жағдайлармен үйлеседі. Осылайша, спора түзетін жасушаларды қамтитын мәдениеттер немесе колониялар көбінесе қабілетті жасушаларды да қамтиды. Süel және авторлар тобының соңғы зерттеулері жасушалық шуды ескере отырып, қабілеттілікке кіру мен одан шығуды түсіндіретін гендердің қозғалысқа келтіретін негізгі модулін анықтады. Көптеген қабілетті бактериялардың барлық ДНК молекулаларын шамамен бірдей тиімділікпен сіңіретіні есептеледі, бірақ Neisseriaceae және Pasteurellaceae тұқымдастарының бактериялары өз геномдарында өте жиі кездесетін ДНК-ның қысқа тізбектерін қамтитын ДНК фрагменттерін артық қабылдайды, Neisseriaceae-де ДНК қабылдау тізбегі (DUS) және Pasteurellaceae-де сигнал қабылдау тізбегі (USS) деп аталады. Neisserial геномдарында GCCGTCTGAA артықшылықты тізбектің мыңдаған көшірмелері бар, ал Pasteurellacean геномдарында AAGTGCGGT немесе ACAAGCGGT кездеседі.

Эволюциялық функциялар мен құзыреттіліктің салдары

Табиғи бактериялық трансформацияның бір бөлігі ретінде табиғи құзыреттің негізгі эволюциялық функциясы туралы жасалған көптеген ұсыныстар үш санатқа бөлінеді: (1) генетикалық әртүрліліктің таңдау артықшылығы; (2) нуклеотидтердің қоры ретінде ДНК-ны қабылдау (ДНК «тағам» ретінде); және (3) зақымдалған ДНК-ның гомологты рекомбинациялық жөнделуін қамтамасыз ету үшін жаңа ДНК тасымалдауының таңдау артықшылығы (ДНК жөндеу). Гендердің көлденең тасымалдануының кейде пайдалы екендігін атап көрсететін қосымша ұсыныс та бар.

Генетикалық әртүрлілік гипотезасы

Гендік әртүрлілікті жыныстың негізгі эволюциялық функциясы ретінде (бактериялық трансформацияны қоса алғанда) қолдайтын аргументтер Бартон мен Чарльзуорт, сондай-ақ Отто мен Герштейн еңбектерінде келтірілген. Дегенмен, жыныстың эволюциясымен байланысты теориялық қиындықтар гендік әртүрлілік үшін жыныстың тиімсіз екенін көрсетеді. Атап айтқанда, бактериялық трансформация кезіндегі құзыреттілік үшін, мысалы, Streptococcus pneumoniae-ның құзыреттілік кезеңінде ғана белсенді болатын 16-дан астам генді қамтитын, жаһандық ақуыз синтезінің күрт өзгеруіне байланысты жоғары шығын талап етіледі. Бірақ бактериялар көбінесе клондар түрінде өседі, сондықтан трансформацияға қолжетімді ДНК көбінесе қабылдаушы жасушалардың генотипімен сәйкес келеді. Осылайша, ақуыз өндірісіне байланысты шығын әрқашан жоғары болады, бірақ әртүрлілік көбінесе арта қоймайды. Құзыреттілікке себеп болатын гендердің эволюциясының модельдерінде құзыреттілік пен жыныстың арасындағы басқа да айырмашылықтар қарастырылды; бұл модельдер құзыреттіліктің болжамдалатын рекомбинациялық артықшылықтары жыныстың артықшылықтарынан да қиын екенін көрсетті.

ДНҚ-ның азық ретінде гипотезасы

Екінші гипотеза – ДНК-ны тамақ ретінде пайдалану – ДНК-ны қабылдайтын жасушалар ДНК құрамына кіретін нуклеотидтерді сөзсіз алады деген фактіге негізделген. Нуклеотидтер ДНК және РНҚ синтезі үшін қажетті және оларды синтездеуге көп энергия жұмсалады, сондықтан олар жасушаның энергия бюджетіне елеулі үлес қосуы мүмкін. Кейбір табиғи түрде қабілетті бактериялар өздерінің қоршаған ортасына нуклеазалар бөліп шығарады, ал барлық бактериялар осы нуклеазалардың қоршаған ортадағы ДНК-дан босататын еркін нуклеотидтерді сіңіреді. ДНК сіңірудің энергетикалық аспектілері ешбір жүйеде толыққанды түсініксіз болғандықтан, нуклеаза секрециясының тиімділігін ДНК сіңіру және ішкі ыдыраумен салыстыру қиын. Принцип бойынша, нуклеаза өндірісінің құны және нуклеотидтерді қайтарудың белгісіздігі, сіңіру механизмін синтездеуге және ДНК-ны тартуға қажетті энергиямен теңестірілуі керек. Басқа да маңызды факторлар: нуклеазалардың және қабілетті жасушалардың ДНК молекулаларымен кездесу мүмкіндігі, қоршаған ортадан және периплазмадан (онда бір тізбегі қабілетті жасушалармен ыдырайды) нуклеотидтерді сіңірудің салыстырмалы тиімсіздігі, сондай-ақ цитоплазмада басқа тізбектен пайдалануға дайын нуклеотид монофосфаттарын өндірудің артықшылығы. Тағы бір қиын жағдай – Pasteurellaceae тұқымдасы мен Neisseria туысына жататын түрлердің ДНК сіңіру жүйелерінің өзіне тән ерекшелігі, бұл рекомбинацияға немесе механикалық тұрғыдан тиімді сіңіруге жасалған таңдауды көрсете алады.

ДНҚ зақымдануын қалпына келтіру гипотезасы

Бактерияларда ДНК зақымдану мәселесі стресс кезеңдерінде, әсіресе тотығу стресі кезінде, тығыздық немесе аштық жағдайларында ең айқын байқалады. Мұндай жағдайларда көбінесе бір ғана хромосома болады. Кейбір бактериялардың мұндай стресс жағдайларында құзыреттілікті (компетенттілікті) тудыруы үшінші гипотезаны қолдайды, яғни трансформация ДНК жөндеуіне мүмкіндік беру үшін қалыптасқан. Эксперименттік сынақтарда ДНК-ға зақым келтіретін заттарға ұшыраған және содан кейін трансформацияға түскен бактериялық жасушалар, трансформацияға ұшырамаған, ДНК зақымдануына ұшыраған жасушаларға қарағанда жақсы тіршілік етті (Hoelzer and Michod, 1991). Сонымен қатар, трансформацияға түсу қабілеті көбінесе белгілі ДНК зақымдайтын заттармен (Michod et al., 2008 және Bernstein et al., 2012 қараңыз) туындайды. Осылайша, табиғи құзыреттілік пен трансформацияның қысқа мерзімді таңдау артықшылығы стресс жағдайларында гомологты рекомбинациялық ДНК-ны қалпына келтіруді ынталандыру қабілетінде болуы мүмкін. Мұндай стресс жағдайлары сезімтал жандардың бактериялық инфекциясы кезінде туындауы мүмкін. Осы ойға сәйкес, Li et al. S. pneumoniae-нің әртүрлі жоғары трансформацияланатын изоляттары арасында мұрын қуысының колонизациялау қабілеті мен вируленттілігі (өкпеге жұқтыру қабілеті) толыққанды құзыреттілікке байланысты екенін хабарлады. 1993 жылғы Redfield-тің есебіне негізделген қарсы аргумент келтірілді, онда хромосомалық ДНК-ның бір және екі тізбекті зақымдануы B. subtilis немесе H. influenzae-де құзыреттілікті немесе трансформацияны тудырмады немесе күшейтпеді, бұл жөндеуге таңдаудың осы түрлерде құзыреттіліктің эволюциясында аз немесе ешқандай рөл атқармағанын көрсетеді. Дегенмен, соңғы дәлелдер трансформацияға қабілеттіліктің, шын мәнінде, ДНК зақымдайтын жағдайлармен ерекше түрде туындайтынын көрсетеді. Мысалы, Claverys et al. 2006 жылы ДНК зақымдайтын митомицин С (ДНК-ны байланыстыратын агент) және фторхинолон (қос тізбекті үзілуге себеп болатын топоизомераза ингибиторы) Streptococcus pneumoniae-де трансформацияны тудыратынын көрсетті. Сонымен қатар, 2011 жылы Engelmoer және Rozen S. pneumoniae-де трансформация митомицин С-тің бактерицидтік әсерінен қорғайтынын көрсетті. Бактерицидтік белсенділігінің маңызды бөлігі гидроксил радикалдарының босатылуынан және ДНК зақымдануынан, соның ішінде қос тізбекті үзілулерден туындайтыны көрсетілді. 2010 жылы Dorer et al. ципрофлоксациннің ДНК гиразасымен өзара әрекеттесіп, қос тізбекті үзілуге себеп болатынын, бұл Helicobacter pylori-де құзыретті гендердің экспрессиясын тудырады, нәтижесінде трансформацияның артуына әкеледі. 2011 жылы Legionella pneumophila зерттеулерінде Charpentier et al. 64 уытты молекуланы сынап, қайсысы құзыреттілікті тудыратынын анықтады. Осы молекулалардың тек алтауы ғана, барлығы ДНК зақымдайтын агенттер, күшті құзыреттілікті тудырды. Бұл молекулалар: норфлоксацин, офлоксацин және налидиксин қышқылы (ДНК гиразасының ингибиторлары, қос тізбекті үзілуге себеп болатын), митомицин С (тізбектер арасындағы байланыстарды тудыратын), бицикломицин (бір және қос тізбекті үзілуге себеп болатын) және гидроксисура (ДНК негіздерінің тотығуына себеп болатын). Charpentier et al. сонымен қатар, УФ сәулеленуі L. pneumophila-да құзыреттілікті тудыратынын және трансформацияға қабілеттіліктің ДНК зақымдануына жауап ретінде дамығанын көрсетті.

Генологиялық трансфер

Ұзақ мерзімді артықшылықты кейде көлденең геннің ауысуы, сонымен қатар бүйірлік геннің ауысуы деп аталатын, (компетенция туындағаннан кейін гомолог емес рекомбинация нәтижесінде пайда болуы мүмкін) сирек кездесетін жағдайлар сыйлайды, бұл антибиотиктерге төзімділікке немесе басқа да пайдалы қасиеттерге әкелуі мүмкін. Компетенттікке таңдаудың мәніне қарамастан, бактериялық геномдардың күрделі құрамы, көлденең геннің ауысуы, компетенттік арқасында пайда болатыны, эволюцияны мүмкін ететін генетикалық әртүрлілікке үлкен үлес қосатынын көрсетеді.