Трансдукция (генетика) - Transduction (genetics)

Трансдукция
Это иллюстрация разницы между генерализованной трансдукцией, которая представляет собой процесс передачи любого бактериального гена второй бактерии через бактериофаг, и специализированной трансдукцией, которая представляет собой процесс перемещения ограниченных бактериальных генов к бактерии-реципиенту. В то время как генерализованная трансдукция может происходить случайным образом и легче, специализированная трансдукция зависит от расположения генов на хромосоме и неправильного удаления профага.

Трансдукция - это процесс, при котором чужеродная ДНК вводится в клетку вирусом или вирусным вектором . Примером является вирусный перенос ДНК от одной бактерии к другой и, следовательно, пример горизонтального переноса генов . Трансдукция не требует физического контакта между клеткой, передающей ДНК, и клеткой, получающей ДНК (которая происходит при конъюгации ), и она устойчива к ДНКазе ( трансформация чувствительна к ДНКазе). Трансдукция является обычным инструментом , используемым в области молекулярной биологии , чтобы стабильно ввести чужеродный ген в клетку - хозяина в геноме (оба клетках бактерий и млекопитающих).

Открытие (бактериальная трансдукция)

Трансдукция была открыта Нортоном Зиндером и Джошуа Ледербергом в Университете Висконсин-Мэдисон в 1952 году в Сальмонелле.

В литическом и лизогенном циклах

Трансдукция происходит либо в литическом, либо в лизогенном циклах. Когда бактериофаги (вирусы, заражающие бактерии), которые являются литическими, инфицируют бактериальные клетки, они задействуют репликационный , транскрипционный и трансляционный аппарат бактериальной клетки-хозяина для создания новых вирусных частиц ( вирионов ). Затем новые фаговые частицы высвобождаются путем лизиса хозяина. В лизогенном цикле хромосома фага интегрируется в качестве профага в бактериальную хромосому, где она может оставаться в состоянии покоя в течение длительных периодов времени. Если профаг индуцируется (например, УФ-светом), геном фага вырезается из бактериальной хромосомы и запускает литический цикл, который завершается лизисом клетки и высвобождением фаговых частиц. Обобщенная трансдукция (см. Ниже) происходит в обоих циклах во время литической стадии, тогда как специализированная трансдукция (см. Ниже) происходит, когда профаг иссекается в лизогенном цикле.


Как метод передачи генетического материала

Трансдукция бактериофагами

Упаковка ДНК бактериофага в капсиды фага имеет низкую точность. Небольшие кусочки бактериальной ДНК могут быть упакованы в частицы бактериофага. Это может привести к трансдукции двумя способами.

Обобщенная трансдукция

Обобщенная трансдукция происходит, когда случайные фрагменты бактериальной ДНК упаковываются в фаг. Это происходит, когда фаг находится в литической стадии, в момент, когда вирусная ДНК упаковывается в фаговые головки. Если вирус реплицируется с использованием «упаковки с головкой», он пытается заполнить голову генетическим материалом. Если вирусный геном приводит к нехватке емкости, механизмы упаковки вируса могут включать бактериальный генетический материал в новый вирион. Альтернативно, генерализованная трансдукция может происходить посредством рекомбинации . Генерализованная трансдукция - редкое событие и происходит примерно у 1 фага из 11000.

Новая вирусная капсула, содержащая часть бактериальной ДНК, затем заражает другую бактериальную клетку. Когда бактериальная ДНК, упакованная в вирус, вставляется в реципиентную клетку, с ней могут произойти три вещи:

  1. ДНК перерабатывается на запчасти.
  2. Если ДНК изначально была плазмидой , она повторно циркулирует внутри новой клетки и снова становится плазмидой.
  3. Если новая ДНК совпадает с гомологичной областью хромосомы клетки-реципиента, она будет обмениваться материалом ДНК, аналогичным действиям при бактериальной рекомбинации .

Специализированная трансдукция

Специализированная трансдукция - это процесс, с помощью которого ограниченный набор бактериальных генов передается другой бактерии. Переносимые гены (донорские гены) фланкируют место расположения профага на хромосоме. Специализированная трансдукция происходит, когда профаг неточно вырезан из хромосомы, так что соседние с ним бактериальные гены включаются в вырезанную ДНК. Вырезанная ДНК затем упаковывается в новую вирусную частицу, которая затем доставляет ДНК новой бактерии. Здесь гены-доноры могут быть вставлены в хромосому реципиента или оставаться в цитоплазме, в зависимости от природы бактериофага.

Когда частично инкапсулированный фаговый материал инфицирует другую клетку и становится профагом, частично закодированная ДНК профага называется «гетерогенотом».

Примером специализированной трансдукции является фаг λ в Escherichia coli .

Боковая трансдукция

Боковая трансдукция - это процесс, при котором очень длинные фрагменты бактериальной ДНК передаются другой бактерии. До сих пор эта форма трансдукции была описана только у Staphylococcus aureus , но она может передавать больше генов и с более высокими частотами, чем генерализованная и специализированная трансдукция. При латеральной трансдукции профаг начинает репликацию in situ перед вырезанием в процессе, который приводит к репликации соседней бактериальной ДНК. После этого упаковка реплицированного фага из его pac- сайта (расположенного примерно в середине генома фага) и соседних бактериальных генов происходит in situ до 105% размера генома фага. Последовательная упаковка после инициации с исходного pac- сайта приводит к тому, что несколько килобаз бактериальных генов упаковываются в новые вирусные частицы, которые переносятся в новые бактериальные штаммы. Если перенесенный генетический материал в этих трансдуцирующих частицах обеспечивает достаточное количество ДНК для гомологичной рекомбинации, генетический материал будет вставлен в хромосому реципиента. Поскольку множественные копии генома фага производятся во время репликации in situ, некоторые из этих реплицированных профагов обычно вырезаются (вместо того, чтобы быть упакованными in situ), производя нормальные инфекционные фаги.

Трансдукция клеток млекопитающих вирусными векторами

Нервные клетки крысы экспрессируют красные и зеленые флуоресцентные белки после вирусной трансдукции двумя искусственными аденоассоциированными вирусами .

Трансдукция вирусными векторами может использоваться для вставки или модификации генов в клетки млекопитающих. Он часто используется в качестве инструмента в фундаментальных исследованиях и активно исследуется как потенциальное средство генной терапии .

Процесс

В этих случаях конструируется плазмида, в которой гены для переноса фланкируются вирусными последовательностями, которые используются вирусными белками для распознавания и упаковки вирусного генома в вирусные частицы. Эта плазмида вставляется (обычно путем трансфекции ) в клетку-продуцент вместе с другими плазмидами (конструкциями ДНК), которые несут вирусные гены, необходимые для образования инфекционных вирионов . В этих клетках-продуцентах вирусные белки, экспрессируемые этими упаковывающими конструкциями, связывают последовательности ДНК / РНК (в зависимости от типа вирусного вектора), которые необходимо перенести, и вставляют их в вирусные частицы. В целях безопасности ни одна из используемых плазмид не содержит всех последовательностей, необходимых для образования вируса, поэтому для получения инфекционных вирионов требуется одновременная трансфекция нескольких плазмид. Более того, только плазмида, несущая передаваемые последовательности, содержит сигналы, которые позволяют упаковывать генетические материалы в вирионы, так что ни один из генов, кодирующих вирусные белки, не упаковывается. Вирусы, собранные из этих клеток, затем применяются к изменяемым клеткам. Начальные стадии этих инфекций имитируют инфекцию естественными вирусами и приводят к экспрессии перенесенных генов и (в случае лентивирусных / ретровирусных векторов) встраиванию ДНК, которая должна быть перенесена в клеточный геном. Однако, поскольку переданный генетический материал не кодирует ни один из вирусных генов, эти инфекции не порождают новые вирусы (вирусы «с дефицитом репликации»).

Некоторые энхансеры использовались для повышения эффективности трансдукции, такие как полибрен , протаминсульфат , ретронектин и DEAE-декстран.

Медицинские приложения

  • Генная терапия : исправление генетических заболеваний путем прямой модификации генетической ошибки.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки

В молекулярной биологии и генетике трансформация - это генетическое изменение клетки в результате прямого поглощения и включения экзогенного генетического материала из окружающей среды через клеточную мембрану.