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).

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.