Szelekciós nyomás genom-minimalizálásra

Az eukarióta és prokarióta sejtek közt természetesen számos fontos eltérés létezik, de az egyik lényeges különbség, a felhasználásra álló energia mennyisége. Hiszen az eukarióta sejtekben jelen levő mitokondriumok révén a bioenergetikai membránok (azon membrán felületek, ahol pl. proton gradiensek kémiai energiává alakulnak át) fajlagos felülete hatalmas, így az egyes sejtfunkciók végrehajtásár alényegesen több energia jut, mint a prokariótákban. Sokak szerint ennek az energetikai aszimmetriának köszönhető, hogy az eukarióta sejtek sokkal nagyobb genommal rendelkeznek, amelyben akár többségben is lehetnek a nem-kódoló szekvenciák.

Ezt a fajta „energetikai luxust“ a baktériumok nem engedhetik meg, ami az egyik magyarázata lehet annak, hogy a baktérium genomok sokkal kisebbek és kevesebb méretbeli ingadozást mutatnak, mint eukarióta társaik. Általánosítva az is elmondható, hogy minél stabilabb környezetben él egy baktérium, annál kisebb genomja lesz, hiszen annál kevesebb génre van szüksége a túléléshez. Ennek megfelelően a parazita fajok genomja lényegesen kisebb, mint például a szabadban élő, talajlakó fajoké és az obligát endoszimbionta fajok genomja további redukciót mutat.

Életmód és genom redukció

5.16. ábra: A stabil élőhely a fölösleges gének elvesztését és genom redukciót okoz. (A) Minél stabilabb egy baktérium előhelye, annál kisebb az átlagos genommérete. (B) Különböző Bortadella fajok genomját vizsgálva észrevehető, hogy a nagyon fajspecifikus patogének, mint a B. pertussis nagyobb számú pszeudogénnel rendelkeznek, mint a több faj megfertőzésére képes rokonaik. A kiszámíthatóbb környezet a fölöslegessé váló gének elsatnyulását okozza.

Ha elfogadjuk, hogy az említett bioenergetikai korlátozás egy fontos szelekciós tényező a mikrobiális fajok élete során, akkor az is logikusan következik, hogy a nem használt gének inaktivációja és deléciója révén bekövetkező genom-redukció egyfajta szelekciós előnyt biztosít, hiszen az említett fölösleges gének transzlációján illetve transzkripcióján megspórolt energia másra fordítható. (Fontos hangsúlyozni, hogy a kis bakteriális genom méretre léteznek más elméletek is. Például a „genetikai sodródás“ szerepét kiemelő szerint, a természetes szelekció elsősorban a hasznos genetikai információ megőrzéséért felelős, a fölösleges gének deléciójának fixációja pedig véletlenszerű esemény, aminek a kis populáció méret miatt azonban nagy valószínűsége van.)

 A gyakorlat során egy fehérje kódoló gén inaktivációját, illetve az ebből származó szelekciós előnyt fogjuk tanulmányozni. Ehhez egy olyan ampicillin rezisztencia gént is hordozó plazmidot (pUC19-GFP) használunk, ami egy erős promóterrel ellátott zöld fluoreszcens fehérje-gént hordoz.

Mivel a bakteriális sejt számára a GFP jelenléte (ellentétben az ampicillin rezisztencia kialakulásával) nem biztosít szelekciós előnyt, de sokba kerül a szintézise, a fent vázolt logika alapján azt várjuk, hogy a gfp gén nonsense mutációi viszonylag nagy gyakorisággal rögzülnek.

Az ampicillint tartalmazó lemezre (ami garantálja, hogy a pUC19 plazmid jelen legyen a sejtekben) kikent transzformált baktériumok csak igen kis százalékában lehet fluoreszcenciát detektálni, ami igazolja, hogy a gfp gén inkativációja előnyös a populáció számára.