TRANSFERUL ORIZONTAL AL GENELOR: MECANISME ȘI EXEMPLE - BIOLOGIE - 2025

Transferul de gene orizontal sau transferul de gene laterala este schimbul de material genetic între organisme, care nu apare în familii. Acest eveniment are loc între indivizi din aceeași generație și poate apărea la ființe unicelulare sau multicelulare.

Transferul orizontal are loc prin trei mecanisme principale: conjugarea, transformarea și transducția. În primul tip, schimbul de fragmente de ADN lung este posibil, în timp ce în ultimele două transferul este limitat la mici segmente ale materialului genetic.

O bacterie. THG este comun în aceste organisme. Sursa pixabay.com

Conceptul opus este transferul genic vertical, unde informațiile genetice trec de la un organism la urmașii săi. Acest proces este răspândit în eucariote, la fel ca plantele și animalele. În schimb, transferul orizontal este frecvent în microorganisme.

În eucariote, transferul orizontal nu este la fel de frecvent. Cu toate acestea, există dovezi privind schimbul acestui fenomen, inclusiv strămoșul oamenilor, care a obținut anumite gene prin virusuri.

Ce este transferul genic orizontal?

În timpul reproducerii, organismele eucariote trec genele lor de la o generație la urmașii lor (copii) într-un proces cunoscut sub numele de transfer de gene vertical. Procariotele efectuează, de asemenea, această etapă, dar prin reproducerea asexuală prin fisiune sau alte mecanisme.

Cu toate acestea, în procariote există un alt mod de schimb de materiale genetice numit transfer de gene orizontal. Aici, fragmentele de ADN sunt schimbate între organisme de aceeași generație și pot trece de la o specie la alta.

Transferul orizontal este relativ frecvent în rândul bacteriilor. Luați exemplu de gene care provoacă rezistență la antibiotice. Aceste fragmente importante de ADN sunt transferate în mod normal între bacteriile din diferite specii.

Aceste mecanisme implică complicații medicale semnificative atunci când se tratează infecții.

Mecanisme

Există trei mecanisme fundamentale prin care ADN-ul poate fi schimbat prin transfer orizontal. Acestea sunt conjugarea, transformarea și transducția.

Conjugare

Transferul de gene prin conjugare este singurul tip care implică un contact direct între cele două bacterii.

Cu toate acestea, nu trebuie comparat cu schimbul de gene prin reproducerea sexuală (unde există de obicei un contact între organismele implicate), deoarece procesul este foarte diferit. Printre principalele diferențe se numără absența meiozei.

În timpul conjugării, trecerea materialului genetic de la o bacterie la alta are loc prin contactul fizic stabilit de o structură numită pili. Aceasta funcționează ca o punte de legătură, unde are loc schimbul.

Deși bacteriile nu se diferențiază pe sexe, organismul care poartă un ADN mic circular cunoscut sub numele de factor F (fertilitatea f) este cunoscut sub numele de „bărbat”. Aceste celule sunt donatoare în timpul conjugării, trecând materialul către o altă celulă care nu are factor.

ADN-ul factorului F este format din aproximativ 40 de gene, care controlează replicarea factorului sexual și sinteza pilului sexual.

Primele dovezi ale procesului de conjugare provin din experimentele Lederberg și Tatum, dar a fost Bernard Davis care a arătat în sfârșit că contactul era necesar pentru transfer.

Transformare

Transformarea implică preluarea unei molecule goale de ADN care se găsește în mediu aproape de o bacterie gazdă. Această bucată de ADN provine dintr-o altă bacterie.

Procesul poate fi realizat în mod natural, deoarece populațiile de bacterii suferă în mod normal transformarea. În mod similar, transformarea poate fi simulată în laborator pentru a forța bacteriile să preia ADN-ul de interes care se găsește în exterior.

Teoretic, orice bucată de ADN poate fi luată. Cu toate acestea, procesul a fost observat implicând molecule mici.

Transducerea

În cele din urmă, mecanismul de transducție se produce cu ajutorul unui fag (virus) care transportă ADN de la o bacterie donatoare la un destinatar. Ca și în cazul precedent, cantitatea de ADN transferat este relativ mică, deoarece capacitatea virusului de a transporta ADN este limitată.

De obicei, acest mecanism este limitat la bacteriile apropiate filogenetic, deoarece virusul care transportă ADN-ul trebuie să se lege cu receptorii specifici ai bacteriilor pentru a injecta materialul.

Exemple

Endonucleazele sunt enzime care au capacitatea de a rupe legăturile fosfodiester din interiorul unui lanț polinucleotid, din interior - de aceea sunt cunoscute sub numele de „endo”. Aceste enzime nu se taie nicăieri, au situri specifice pentru a face acest lucru, numite site-uri de restricție.

Secvențele de aminoacizi pentru enzimele EcoRI (în E. coli) și RSRI (în Rhodobacter sphaeroides) au o secvență de aproape 300 de reziduuri de aminoacizi, care sunt 50% identice între ele, indicând clar o înrudire evolutivă strânsă.

Cu toate acestea, datorită studierii altor caracteristici moleculare și biochimice, aceste două bacterii sunt foarte diferite și sunt foarte puțin legate din punct de vedere filogenetic.

În plus, gena care codifică enzima EcoRI folosește codoni foarte specifici, diferiți de cei folosiți în mod normal de E. coli, astfel încât se suspectează că gena nu își are originea în această bacterie.

Transfer de orizontală a genelor în evoluție

În 1859, naturalistul britanic Charles Darwin a revoluționat științele biologice cu teoria evoluției sale prin selecția naturală. În cartea sa iconică, Originea speciilor, Darwin propune metafora arborelui vieții pentru a ilustra relațiile genealogice dintre specii.

Astăzi, filogeniile sunt o reprezentare formală a acestei metafore, unde se presupune că transmiterea informațiilor genetice are loc pe verticală - de la părinți la copii.

Putem aplica această viziune fără inconveniente majore organismelor multicelulare și vom obține un model ramificat, așa cum propune Darwin.

Totuși, această reprezentare a ramurilor fără fuziuni este dificil de aplicat microorganismelor. Atunci când comparăm genomii diferitelor procariote, este clar că există un transfer de gene extins între linii.

Astfel, modelul relațiilor este mai mult ca o rețea, cu ramuri conectate și fuzionate împreună, datorită prevalenței transferului de gene orizontal.

Referințe

1. Gogarten, JP, & Townsend, JP (2005). Transfer orizontal de gene, inovație și evoluție a genomului. Nature Review Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, & Palmer, JD (2008). Transfer orizontal de gene în evoluție eucariotă. Nature Review Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetica: o abordare conceptuală. Editura Medicală Panamericană.
4. Russell, P., Hertz, P., & McMillan, B. (2013). Biologie: Știința dinamică. Nelson Education.
5. Sumbali, G., & Mehrotra, RS (2009). Principiile microbiologiei. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Transfer de gene orizontal. Presă academică.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introducere în microbiologie. Editura Medicală Panamericană.