Введение
Тип мобильного генетического элемента
В биологии, генная кассета — это тип мобильного генетического элемента, содержащий ген и сайт рекомбинации. Каждая кассета обычно содержит один ген и, как правило, очень мала – порядка 500–1000 пар оснований. Они могут существовать, будучи встроенными в интеграны, или свободно в виде кольцевой ДНК. Генные кассеты могут перемещаться внутри генома организма или передаваться другому организму в окружающей среде посредством горизонтального переноса генов. Эти кассеты часто несут гены устойчивости к антибиотикам. Примером может служить кассета kanMX, которая обеспечивает бактериям устойчивость к канамицину (антибиотику).
In biology, a gene cassette is a type of mobile genetic element that contains a gene and a recombination site. Each cassette usually contains a single gene and tends to be very small; on the order of 500–1,000 base pairs. They may exist incorporated into an integron or freely as circular DNA. Gene cassettes can move around within an organism's genome or be transferred to another organism in the environment via horizontal gene transfer. These cassettes often carry antibiotic resistance genes. An example would be the kanMX cassette which confers kanamycin (an antibiotic) resistance upon bacteria.
Интеграны
Интегроны – это генетические структуры в бактериях, которые экспрессируют и способны приобретать и обмениваться генными кассетами. Интегрон состоит из промотора, сайта присоединения и гена интегразы, кодирующего сайт-специфичную рекомбиназу. Описаны три класса интегронов. Предполагается, что генные кассеты встраиваются и вырезаются посредством круглой промежуточной формы. Это включает рекомбинацию между короткими последовательностями, расположенными на их концах, известными как 59-е базовые элементы (59 be) – которые могут быть не 59 нуклеотидов в длину. 59-е базовые элементы представляют собой разнообразное семейство последовательностей, функционирующих как сайты распознавания для сайт-специфичной интегразы (фермента, ответственного за встраивание генной кассеты в интегрон), расположенные ниже кодирующей последовательности гена.
Разнообразие и распространенность
Способность генетических элементов, таких как генные кассеты, вырезаться и встраиваться в геномы приводит к появлению высокосходных генных регионов у отдалённо родственных организмов. Три класса интегранов схожи по структуре и различаются по месту встраивания и сопутствующим системам. Интеграны класса 1 обнаружены в разнообразных бактериальных геномах и, вероятно, все произошли от одного общего предка. Широкое распространение интегранов повлияло на эволюцию бактерий, обеспечивая быструю передачу генов, новых для организма, например, генов устойчивости к антибиотикам.
Генетическая инженерия
В генетической инженерии генная кассета – это манипулируемый фрагмент ДНК, несущий и способный к экспрессии одного или нескольких генов, представляющих интерес, между одним или несколькими наборами сайтов рестрикции. Его можно перенести из одной последовательности ДНК (обычно на векторе) в другую, «вырезав» фрагмент с помощью рестрикционных ферментов и «вставив» его в новый контекст. Векторы, содержащие ген, представляющий интерес, обычно также несут ген устойчивости к антибиотикам, называемый селективным маркером, для облегчения идентификации клеток, успешно интегрировавших вектор в свой геном. Для введения вектора в целевую клетку необходимо индуцировать состояние компетентности клетки. Это состояние достигается в лаборатории путем инкубации клеток с хлоридом кальция перед кратковременным тепловым шоком или электропорацией. Это делает клетки более восприимчивыми к вводимой плазмиде. После добавления плазмиды клетки культивируют в присутствии антибиотика для подтверждения поглощения и экспрессии новых генетических элементов. Использование систем CRISPR/Cas9 продемонстрировало эффективность вставки генов в геномы эукариот. Хотя CRISPR-модификация все еще находится на ранней стадии развития, имеются значительные доказательства ее использования в сочетании с другими техниками для создания высокопроизводительных (HTP) систем редактирования генома. Генетическая инженерия бактерий для производства широкого спектра промышленных продуктов, включая биотопливо и специализированные химические вещества/нутрицевтики, является важной областью исследований.
Горизонтальный перенос генов
Горизонтальный перенос генов (ГПГ) – это передача генетических элементов между клетками, отличная от вертикального наследования. ГПГ является причиной широкого распространения устойчивости к антибиотикам среди бактерий. Геновые кассеты, содержащие гены устойчивости к антибиотикам или другие факторы вирулентности, такие как экзотоксины, могут передаваться от клетки к клетке посредством фагов, трансдукции, поглощаться из окружающей среды (трансформация) или посредством бактериальной конъюгации. Способность к переносу геновых кассет между организмами сыграла значительную роль в эволюции прокариот. Многие комменсальные организмы, такие как E. coli, регулярно несут одну или несколько геновых кассет, обеспечивающих устойчивость к антибиотикам. Горизонтальный перенос генетических элементов от непатогенных комменсалов к неродственным видам приводит к появлению высоко вирулентных патогенов, способных нести множество генов устойчивости к антибиотикам. Растущая распространенность устойчивости ставит сложные вопросы перед исследователями и врачами.