Введение

Способность клеток изменять собственный генетический материал, поглощая внеклеточную ДНК.

В микробиологии, генетике, клеточной биологии и молекулярной биологии компетентность – это способность клетки изменять свой генетический материал, поглощая внеклеточную ("голую") ДНК из окружающей среды в процессе, называемом трансформацией. Компетентность различают на естественную компетентность – генетически обусловленную способность бактерий, которая, как считается, возникает в естественных условиях и в лабораторных условиях – и индуцированную или искусственную компетентность, которая возникает при обработке клеток в лабораторных культурах для временного повышения их проницаемости для ДНК. Компетентность обеспечивает быструю адаптацию и восстановление ДНК клетки. В данной статье основное внимание уделяется естественной компетентности у бактерий, хотя также представлена информация об искусственной компетентности.

История

Естественная компетентность была открыта Фредериком Гриффитом в 1928 году, когда он показал, что препарат из убитых клеток патогенной бактерии содержит вещество, способное трансформировать родственные непатогенные клетки в патогенный тип. В 1944 году Освальд Эйвери, Колин МакЛеод и Маклин МакКарти продемонстрировали, что этот "трансформирующий фактор" является чистой ДНК. Это было первым убедительным доказательством того, что ДНК несет генетическую информацию клетки. С тех пор естественная компетентность изучалась у многих различных бактерий, в частности Bacillus subtilis, Streptococcus pneumoniae (пневмококк Гриффита), Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae и видов рода Acinetobacter. Активные области исследований включают механизмы транспорта ДНК, регуляцию компетентности у разных бактерий и эволюционную роль компетентности.

Механизмы поглощения ДНК

В лаборатории ДНК предоставляется исследователем, часто в виде генетически сконструированного фрагмента или плазмиды. В процессе поглощения ДНК транспортируется через клеточную мембрану и, если она присутствует, через клеточную стенку. Попав внутрь клетки, ДНК может быть расщеплена на нуклеотиды, которые затем используются повторно для репликации ДНК и других метаболических функций. В качестве альтернативы, она может быть рекомбинирована в геном клетки с помощью ферментов репарации ДНК. Если эта рекомбинация изменяет генотип клетки, то говорят, что клетка была трансформирована. Искусственная компетентность и трансформация используются в качестве исследовательских инструментов во многих организмах (см. Трансформация (генетика)). У подавляющего большинства естественно компетентных бактерий компоненты внеклеточных филаментов, называемые пилями IV типа (вид фимбрий), связывают внеклеточную двухцепочечную ДНК. Затем ДНК транслоцируется через мембрану (или мембраны у грамотрицательных бактерий) посредством многокомпонентных белковых комплексов, работа которых обусловлена деградацией одной из цепей ДНК. Одноцепочечная ДНК внутри клетки связывается с хорошо консервативным белком DprA, который загружает ДНК на RecA, который опосредует гомологичную рекомбинацию посредством классического пути репарации ДНК.

Регулирование компетенции

В лабораторных культурах естественная компетентность обычно строго регулируется и часто индуцируется дефицитом питательных веществ или неблагоприятными условиями. Однако специфические индукционные сигналы и регуляторные механизмы гораздо более вариабельны, чем механизмы поглощения, и мало что известно о регуляции компетентности в естественной среде обитания этих бактерий. Обнаружены факторы транскрипции, регулирующие компетентность; пример – sxy (также известный как tfoX), который, в свою очередь, регулируется 5'-некодирующим элементом РНК. У бактерий, способных к спорообразованию, условия, индуцирующие споруляцию, часто совпадают с условиями, индуцирующими компетентность. Таким образом, культуры или колонии, содержащие спорулирующие клетки, часто также содержат компетентные клетки. Недавние исследования, проведенные Süel и соавторами, выявили возбудимый основной модуль генов, который может объяснить вход и выход из состояния компетентности с учетом клеточного шума. Считается, что большинство компетентных бактерий поглощают все молекулы ДНК с примерно одинаковой эффективностью, но бактерии семейств Neisseriaceae и Pasteurellaceae предпочтительно поглощают фрагменты ДНК, содержащие короткие последовательности ДНК, называемые последовательностью поглощения ДНК (DUS) у Neisseriaceae и последовательностью сигнала поглощения (USS) у Pasteurellaceae, которые часто встречаются в их собственных геномах. Геномы Neisseriaceae содержат тысячи копий предпочтительной последовательности GCCGTCTGAA, а геномы Pasteurellaceae содержат либо AAGTGCGGT, либо ACAAGCGGT.

Эволюционные функции и последствия компетентности

Большинство предложений относительно основной эволюционной функции естественной компетентности как части естественной бактериальной трансформации можно разделить на три категории: (1) селективное преимущество генетического разнообразия; (2) захват ДНК как источника нуклеотидов (ДНК как "пища"); и (3) селективное преимущество новой цепи ДНК для стимуляции гомологичной рекомбинационной репарации поврежденной ДНК (репарация ДНК). Также выдвигалось вторичное предположение о случайной выгоде горизонтального переноса генов.

Гипотеза генетического разнообразия

Аргументы в пользу генетического разнообразия как основной эволюционной функции пола (включая бактериальную трансформацию) представлены Бартоном и Чарльзуортом, а также Отто и Герштейном. Однако теоретические трудности, связанные с эволюцией пола, указывают на то, что половое размножение ради генетического разнообразия проблематично. В частности, в отношении бактериальной трансформации, приобретение компетентности требует значительных затрат на глобальное переключение синтеза белка, например, активации более 16 генов только во время компетентности у Streptococcus pneumoniae. Однако, поскольку бактерии, как правило, растут в клонах, ДНК, доступная для трансформации, обычно имеет тот же генотип, что и у клеток-реципиентов. Таким образом, экспрессия белка всегда обходится дорого, но в большинстве случаев не приводит к увеличению разнообразия. Другие различия между компетентностью и половым размножением были учтены в моделях эволюции генов, определяющих компетентность; эти модели показали, что предполагаемые рекомбинационные преимущества компетентности оказываются еще более труднодостижимыми, чем преимущества полового размножения.

Гипотеза о ДНК как о пище

Вторая гипотеза, ДНК как источник питания, основана на том, что клетки, поглощающие ДНК, неизбежно получают нуклеотиды, из которых она состоит, а поскольку нуклеотиды необходимы для синтеза ДНК и РНК и их синтез энергетически затратен, они могут вносить существенный вклад в энергетический баланс клетки. Некоторые естественно компетентные бактерии также выделяют нуклеазы во внешнюю среду, и все бактерии способны поглощать свободные нуклеотиды, образующиеся из окружающей ДНК под действием этих нуклеаз. Энергетические аспекты поглощения ДНК не изучены ни в одной системе, поэтому сложно сравнить эффективность выделения нуклеаз с эффективностью поглощения ДНК и её внутриклеточной деградации. В принципе, затраты на производство нуклеаз и неопределенность в отношении восстановления нуклеотидов необходимо сопоставлять с энергией, требуемой для синтеза аппарата поглощения и захвата ДНК. Другими важными факторами являются вероятность встречи нуклеаз и компетентных клеток с молекулами ДНК, относительная неэффективность поглощения нуклеотидов из внешней среды и из периплазмы (где одна цепь деградирует компетентными клетками), а также преимущество получения готовых к использованию нуклеотидных монофосфатов из другой цепи в цитоплазме. Дополнительным осложнением является предвзятость систем поглощения ДНК у видов из семейства Pasteurellaceae и рода Neisseria, что может отражать как отбор в пользу рекомбинации, так и механически эффективное поглощение.

Гипотеза восстановления повреждения ДНК

У бактерий проблема повреждения ДНК наиболее остро проявляется в периоды стресса, особенно окислительного стресса, возникающего при скученности или голодании. В таких условиях часто присутствует лишь одна хромосома. Тот факт, что некоторые бактерии индуцируют компетентность в таких стрессовых условиях, подтверждает третью гипотезу о том, что трансформация существует для обеспечения репарации ДНК. В экспериментальных тестах бактериальные клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих их ДНК, а затем прошедшие трансформацию, выживали лучше, чем клетки, подвергшиеся повреждению ДНК без последующей трансформации (Hoelzer и Michod, 1991). Кроме того, способность к трансформации часто индуцируется известными агентами, повреждающими ДНК (обзор Michod et al., 2008 и Bernstein et al., 2012). Таким образом, сильным краткосрочным селективным преимуществом естественной компетентности и трансформации является их способность стимулировать гомологичную рекомбинационную репарацию ДНК в условиях стресса. Подобные стрессовые условия могут возникать при бактериальной инфекции восприимчивого хозяина. В соответствии с этой идеей, Li et al. сообщили, что у различных высокотрансформируемых изолятов *S. pneumoniae* пригодность к колонизации носа и вирулентность (инфекционность легких) зависят от функционирующей системы компетентности. Контраргумент был выдвинут на основе отчета Redfield 1993 года, в котором было показано, что одно- и двухцепочечные повреждения хромосомной ДНК не индуцируют и не усиливают компетентность или трансформацию у *B. subtilis* или *H. influenzae*, что позволяет предположить, что отбор в пользу репарации сыграл незначительную или вообще никакую роль в эволюции компетентности у этих видов. Однако более поздние данные свидетельствуют о том, что компетентность к трансформации действительно специфически индуцируется повреждающими ДНК факторами. Например, Claverys et al. в 2006 году показали, что агенты, повреждающие ДНК, митомицин С (агент, вызывающий сшивки ДНК) и фторхинолон (ингибитор топоизомеразы, вызывающий разрывы двойных нитей), индуцируют трансформацию у *Streptococcus pneumoniae*. Кроме того, Engelmoer и Rozen в 2011 году продемонстрировали, что трансформация у *S. pneumoniae* защищает от бактерицидного эффекта митомицина С. Индукция компетентности также обеспечивала защиту от антибиотиков канамицина и стрептомицина. Было показано, что значительная часть их бактерицидной активности обусловлена высвобождением гидроксильного радикала и индукцией повреждений ДНК, включая разрывы двойных нитей. Dorer et al. в 2010 году показали, что ципрофлоксацин, который взаимодействует с ДНК-гиразой и вызывает образование разрывов двойных нитей, индуцирует экспрессию генов компетентности в *Helicobacter pylori*, что приводит к увеличению трансформации. В 2011 году Charpentier et al. исследовали *Legionella pneumophila*, протестировав 64 токсичных молекулы, чтобы определить, какие из них индуцируют компетентность. Только шесть из этих молекул, все из которых повреждают ДНК, сильно индуцировали компетентность. Этими молекулами были норфлоксацин, офлоксацин и налидиксиновая кислота (ингибиторы ДНК-гиразы, вызывающие разрывы двойных нитей), митомицин С (вызывающий межнитевые сшивки), бицикломицин (вызывающий одно- и двухцепочечные разрывы) и гидроксимочевина (вызывающая окисление оснований ДНК). Charpentier et al. также показали, что УФ-облучение индуцирует компетентность у *L. pneumophila* и предположили, что компетентность к трансформации эволюционировала как ответ на повреждение ДНК.

Горизонтальный перенос генов

Долгосрочное преимущество может иногда обеспечиваться единичными случаями горизонтального переноса генов, также называемого латеральным переносом генов (который может быть результатом негомологичной рекомбинации после индукции компетентности), что может приводить к устойчивости к антибиотикам или другим преимуществам. Независимо от природы отбора в пользу компетентности, сложный состав бактериальных геномов предоставляет убедительные доказательства того, что горизонтальный перенос генов, обусловленный компетентностью, вносит вклад в генетическое разнообразие, необходимое для эволюции.