Géntranszfer

A géntranszfer azt jelenti, hogy egy élőlényből gének jutnak egy másik élőlénybe. Ez a legáltalánosabb esetben a szülőből az utód felé történik, ez a vertikális géntranszfer. Amikor tehát egy baktérium osztódik, akkor az újonnan keletkezett sejtbe is jut az anyasejt minden génjéből, azaz beszélhetünk vertikális géntranszferről.

Ezzel szemben létezik a géntranszfernek egy másik útja, a horizontális géntranszfer. Ebben az esetben az egyed olyan genetikai információhoz jut, amivel a szülő nem rendelkezett. Baktériumok körében ez a jelenség már 1959 óta ismert, ám mára már tudjuk, hogy magasabb rendű eukarióta szervezetek, akár emlősök esetében is végbemehet horizontális géntranszfer, bár ennek mechanizmusa jóval összetettebb, mint a prokarióták esetében.

Fontos megemlíteni, hogy a géntranszfer nem minden esetben jelent előnyt az élőlényre nézve. Az előny-hátrány kérdése sok esetben a környezettől is függ, egy gén vagy génváltozat lehet előny egy adott környezetben, míg más esetben káros.

A horizontális géntranszfer típusai baktériumokban

A baktériumok alapvetően háromféle módon juthatnak genetikai információhoz a külvilágból: transzformáció által, transzdukció által és konjugáció által.

A transzformáció: DNS a környezetből

A transzformáció azt jelenti, hogy a baktérium a környezetéből vesz fel DNS-t (például egy elpusztult baktériumnak a környezetbe jutott genetikai anyagát), és az azon levő gének a baktériumban kifejeződnek. Nem számít transzformációnak, ha a sejt a felvett DNS-en levő genetikai információt nem hasznosítja, hanem a DNS-t, mint tápanyagot használja fel. Transzformációval a leghatékonyabban plazmidok tudnak terjedni, mivel ezek önálló replikációra képesek. Az önállóan replikálódni nem képes (pl. lineáris, vagy ori nélküli cirkuláris) DNS-ek rekombinációval válhatnak a baktérium genomjának részévé.

A transzformációhoz elengedhetetlenül szükséges az, hogy a baktérium sejt ún. kompetens állapotban legyen. A kompetencia azt jelenti, hogy az adott sejt képes DNS-t felvenni a környezetéből, de nem jelenti azt, hogy a felvett DNS-t a baktérium használni is képes, azaz a kompetencia nem feltétlenül vezet transzformációhoz. A baktérium fajok természetes kompetenciája eltérhet abban, hogy milyen feltételek közt vesznek fel DNS-t (csak bizonyos környezeti tényezők esetén, csak bizonyos növekedési fázisban); és abban, hogy milyen DNS-t képesek felvenni (pl. az adott DNS cirkuláris vagy lineáris legyen, egyszálú vagy dupla szálú legyen, hordozzon-e specifikus szekvencia elemeket vagy sem).

A transzformálás a mikrobiális genetikai kutatás során napi rendszerességgel végzett eljárás. Az Escherichia coli esetében a két legelterjedtebb transzformálási módszer a hősokk transzformálás és az elektroporáció.

A hősokk transzformálás és elektroporálás

A hősokk transzformáláshoz ún. kémiai kompetens sejteket használunk, melyek egy Ca2+- és Mg2+-ionos kezelés és hűtés során váltak kompetenssé. A transzformációs eljárás lényege az, hogy a kompetens sejtekhez adott DNS-t egy rövid hősokk (42 °C-ra történő melegítés) hatására felveszik a sejtek, majd a rajta levő genetikai információt hasznosítani kezdik. Ezzel az eljárással plazmid DNS-t lehet a sejtekbe transzformálni.

Az elektrporációs transzformálás (elektroporálás) során elektrokompetens sejteket használunk, melyeket úgy állítunk elő, hogy a baktériumokat tartalmazó oldatot (LB médium) ionmentes oldatra cseréljük, ami desztillált vízből és valamilyen nemionos krioprotektív anyagból, például glicerinből áll. A nemionos jellegre azért van szükség, mert az eljárás során a DNS-t és a baktériumokat tartalmazó szuszpenziót egy több ezer voltos elektromos kisülésnek tesszük ki, ami pórusokat nyit a baktérium falán a DNS számára. Ha az oldatban elektromosan vezető komponensek (ionok) vannak, akkor rövidzárlat keletkezik, a transzformálás pedig sikertelen marad. (A krioprotektív pedig azt jelenti, hogy a sejteket megvédi a fagy okozta károsodástól, így fagyasztva, -70°C-on tárolhatóak.) Az elektroporációs eljárás során cirkuláris és lineáris DNS-t is be tudunk juttatni a sejtekbe, azaz plazmidokon kívül például PCR termék (lineáris DNS) is transzformálható, bár lineáris formában sokáig nem képes fennmaradni a sejtben.

A transzformáció során a baktériumok kompetenciájának mértéke nagyon fontos tényező. A kompetencia két tényezőtől függ: a sejtek sűrűségétől, és a rajtuk végrehajtott kezeléstől. Például ha 1000 sejtünk van, de 1%-uk vesz fel DNS-t a kísérlet során, az ugyanolyan, mintha 100 sejtünk lenne, de 10%-uk lenne kompetens. A transzformációs hatékonyságot az adja meg, hogy 1 μg plazmid DNS-sel végzett transzformáció mennyi, a plazmidot hordozó telepet eredményez (CFU/μg).

A transzdukció: DNS fágoktól

A transzdukció a horizontális géntranszfer azon típusa, amikor egy, a baktériumot fertőző fág az egyik baktériumból származó genetikai anyagot juttat egy másik baktériumba. Két típusát ismerjük, a speciális és az általános transzdukciót.

A speciális vagy specializált transzdukció megértéséhez szükség van a fentebb tárgyalt fág életciklusok ismeretére (6.6. ábra). Bizonyos mérsékelt fágok a gazda genomjának egy adott pontjára rekombinálódnak, így a profággal szomszédos gének mindig ugyanazok. A speciális transzdukció esetében a fág aktiválódásakor (azaz mikor a profág ismét lítikus ciklusba megy át) a fág DNS olykor hibásan vágódik ki a baktérium genomból, és a baktérium genomjának egy részét „magával viszi”, azaz a fág saját genomjának egyik szélén egy kis darab bakteriális eredetű DNS is elhelyezkedik – így csomagolódik be a fágfejbe, és így fertőzi meg a következő baktériumot. Az E. coli - λ fág rendszer esetében a rekombináció helye (attB) a galaktóz hasznosításért felelős gal operon és a biotin szintézisért felelős bio operon közé esik, így a transzdukáló fág ezek egyikének egy részletét viheti magával.

6.6. Ábra A speciális transzdukció.

Az általános transzdukció a lítikus fázis során jöhet létre, ennek nem feltétele, hogy a fág korábban profágként jelen legyen a baktérium genomjában, tehát nem csak a mérsékelt fágok képesek rá (6.7. ábra). A fágtestek összeszerelődésével egyidejűleg, a gazdasejt pusztulásának részeként a baktérium genomja feldarabolódik, és a fágfejekbe bizonyos gyakorisággal a fág DNS helyett a baktérium hasonló méretű feldarabolódott DNS darabkái kerülnek, teljesen véletlenszerűen. Az így létrejött fág képes egy másik baktériumba injektálni ezt a DNS-darabot, azaz ilyen módon a fág közvetítésével létrejön a géntranszfer a két baktérium közt.

6.7. Ábra Az általános transzdukció.

A konjugáció: DNS más baktériumsejtektől

A konjugáció a baktériumok ivaros folyamatának is tekinthető jelenség, melynek során két baktérium közt közvetlen kapcsolat (ún. pilus) létesül, melyen át genetikai anyag jut az egyik (donor) sejtből a másik (recipiens) sejtbe. Ehhez két feltétel szükséges, az egyik, hogy a két sejt képes legyen kapcsolatot teremteni, és hogy a donorban legyen mobilizálható DNS. Azokat a plazmidokat, amiken az összes szükséges gén megvan, ami szükséges a kapcsolat létrejöttéhez, konjugatív plazmidoknak nevezzük. Azokat a plazmidokat, melyek képesek lehetnek átjutni az egyik sejtből a másikba, mobilizálható plazmidoknak nevezzük. E két tulajdonság lehet egyazon plazmidon (ekkor önátvivő, self-transmissive) plazmidnak nevezzük, de lehet két eltérő plazmidon is, ekkor az egyik plazmidon található gének  kellenek a pilus kialakításához, de a másik plazmid jut át a piluson. (Emlékeztető: milyen feltételek kellenek ahhoz, hogy két különböző plazmid fennmaradjon egy sejten belül?)

Az E. coliban leírt legismertebb önátvivő plazmid az F-faktor vagy F-plazmid (6.8. ábra). Ez önmagában egy 100000 bp méretű plazmid, amin tehát minden szükséges gén megvan a pilus létrehozásához és önmaga átjutatásához a donorból a recipiensbe. Ezen kívül az F-plazmidon olyan szekvenciák is szerepelnek, melyek segítségével képes integrálódni a gazdabaktérium genomjába (inszerciós szekvencia, röviden IS), valamint onnan kivágódni is képes, és újra létrejön az F-plazmid forma. A kivágódás során időnként a vele szomszédos DNS darab is kivágódik vele együtt (hasonlóan a speciális transzdukció esetében látottakhoz), ilyenkor az F-plazmid kiegészül egy kromoszómális eredetű szekvenciával. Azt a baktériumtörzset, aminek genomján beépülve megtalálható az F-plazmid, Hfr törzsnek nevezzük, míg azt az F plazmidot, ami egy másik baktérium (hibásan kivágódott) génjeit hordozza, egy felső vesszővel jelöljük, azaz F’ (F-prime) plazmidnak nevezzük.

A Hfr törzsek képesek az egész genomjukat konjugációval átvinni a recipiens baktériumba. (A Hfr elnevezés az angol high-frekvency recombination kifejezés rövidítése.) A konjugáció különböző időpontban való leállítása és az átjutott gének vizsgálata segítségével tudták a klasszikus genetika módszereivel meghatározni az E. coli géntérképét, ezt nevezzük perctérképnek is.

6.8. Ábra Az F plazmid.