Sciencemag.cz
Doporučujeme
Umírající bakterie dokáže své geny předat sousedům, a zvýšit tak pravděpodobnost jejich zastoupení v příštích generacích podobně, jako kdyby je předávala potomkům. Jde o velmi efektivní způsob horizontálního přenosu genů, který známe relativně krátce. Celý mechanismus realizují komponenty GTA (Gene Transfer Agent), které mají přímý vztah k virům (bakteriofágům).
Stručné představení GTA přinesl text brněnského centra CEITEC:
Gene Transfer Agent: bakterie si z virů vytvořily nástroj pro přenos vlastních genů
Na podrobnější otázky nyní odpovídá jeden z autorů původní studie, strukturní virolog Mgr. Pavol Bárdy.
Pavol Bárdy je absolventem magisterského oboru „Molekulární biologie a genetika“ Masarykovy univerzity v Brně. Výzkumu GTA se začal věnovat během doktorského studia. Kromě toho zkoumá bakteriofágy infikující patogenního zlatého stafylokoka. Využívá zejména metody kryo-elektronové mikroskopie a nástroje pro editaci genomů založené na CRISPR/Cas.
Jak dlouho jsou samotné Gene Transfer Agent známy? (Myslím s ohledem na to, ze v učebnicích evoluční biologie se o tento způsob přenosu genetické informace, pokud vím, nezmiňuje.)
Gene Transfer Agents boli objavené v 70tych rokoch, ale nevenovala sa im veľká pozornosť. Ich hlbšiu charakterizáciu umožnil až rozvoj sekvenácie po roku 2000 a zvýšenú popularitu najmä McDanielova publikácia z roku 2010. V nej kolektív autorov ukázal, že prenos génov pomocou GTA môže v prirodzených podmienkach prebiehať s až miliónkrát vyššou účinnosťou než u ostatných foriem horizontálneho génového prenosu ako transformácia a transdukcia. Ide teda o relatívne nedávne zistenia.
Horizontální přenos genetické informace mezi bakteriemi se často zmiňuje v souvislosti s antibiotickou rezistencí. K tomu má GTA nějaký vztah?
Prenos antibiotickej rezistencie pomocou GTA sa bežne využíva v laboratóriu pre selekciu mutantných kmeňov ako aj pre obecný výpočet počtu funkčných GTA vo vzorke. K tomuto prenosu prebieha aj v prirodzených podmienkach ako ukázal práve McDaniel. Tým vzniká početnejší rezervoár génov antibiotickej rezistencie, odkiaľ sa následne môžu dostať do nebezpečných patogénnych kmeňov. Rody patogénov Bartonella a Brachyspira dokonca tvoria vlastné GTA, bežne však nespôsobujú život-ohrozujúce ochorenia.
Uvádí se vztah mezi GTA a bakteriofágy. Lze zde najít nějaký přímý důkaz (podobnost konkrétních fágů s konkrétními GTA apod.)? GTA mají jen geny původní bakteriální buňky, nebo i některé další, „virové“?
Na úrovni štruktúry proteínov je týchto podobností celá rada. GTA obsahujú štruktúrne jednotky totožné s bakteriofágmi, celková stavba častice je však odlišná. Je oveľa menšia, čo je dôvod evolučného tlaku na odlišnú funkciu. Dá sa tvrdiť, že GTA časticu kódujú gény dávneho fága, ktoré sa dostali pod reguláciu génov bunkových. Avšak GTA obsahuje aj gény podobné súčasným fágom, ktoré kódujú receptor-väzbové proteíny. Ide o príklad horizontálneho génového prenosu v reálnom čase: Bakteriofág „kradne“ GTA gény pre receptor-väzbové proteíny, aby mohol lepšie infikovať baktériu. Takisto baktéria môže „kradnúť“ gény pre receptor-väzbové proteíny vysoko úspešným fágom, tým zvýši doručovacie schopnosti svojich GTA.
Jde prostě o proteinový balíček s kusy DNA uvnitř?
Presne tak. Tento balíček navyše obsahuje zmienené receptor-väzbové proteíny, aby našiel bunku, ktorej DNA predá. Nič viac k svojej funkcii nepotrebuje.
Co se vlastně děje s GTA dál po smrti původní bakterie? Nějak se „vyleje do prostředí“ a poté…? Jakoby infikuje jiné bakterie? Nebo ty se GTA nějak aktivně snaží vstřebat? A dále co? Zabudovávají tyto geny do svého vlastního genomu? To probíhá v rámci jednoho druhu bakterií (v původní „kolonii“ např.) nebo i mezidruhově? Pokud by šlo o stejný druh, pak už by ale přijímající bakterie měly kopie/varianty takových genů vlastní…?
GTA pre uvoľnenie z baktérie používajú rovnaký mechanizmus ako bičíkové fágy, proteín holín pre rozklad membrán a proteín endolyzín pre rozklad bunkovej steny. GTA sú z baktérie do prostredia následne naozaj „vyliate“. Nasadanie na recipientné baktérie prebieha pomocou receptor-väzbových proteínov. Ide pritom o veľmi rýchly proces. Pri mrazení vzoriek GTA zmiešaných s baktériami boli takmer všetky častice naviazané na baktérie už po menej ako 20 sekundách, čo bol minimálny manipulačný čas pre prípravu vzorky. Do genómu bunky je DNA následne vnesená rekombináciou s podobnými úsekmi. U baktérií podobných R. capsulatus ide o približne 1 kb (dĺžka cca 1 génu) z oboch strán molekuly DNA (dokopy teda 2 kb). GTA častica prenáša 4kb DNA, stále ostávajú tak 2 kb DNA, ktoré nemusia mať s genómom recipienta žiadnu podobnosť. Veľkosť hlavičky GTA je teda veľmi vhodná pre prenos 1 až 2 nových génov. Taktiež môže slúžiť na výmenu variant génov. Ohľadom medzidruhového prenosu ide o nepreskúmaný fenomén. Štúdia McDaniela, ktorú som spomínal vyššie, ukázala priebeh mimodruhového prenosu s pomerne vysokou početnosťou. Bolo by zaujímavé hlbšie skúmať molekulárnu podstatu takéhoto prenosu.
Jak významný je mechanismus GTA pro evoluci bakterií? Jednotlivé „balíčky“ pro GTA se liší? Tj. může jít o potomky různých bakteriofágů a bakterie si je ochočily několikrát nezávisle?
Bolo popísaných 5 geneticky nepríbuzných GTA systémov, u ktorých sa predpokladá ich nezávislý vznik z rôznych bakteriofágov. Napríklad GTA častice produkované Desulfovibrio desulfuricans majú oproti ostatným známym GTA rozdielny tvar bičíku. Avšak je možné, že nepríbuzných GTA existuje oveľa viac. Genómy baktérií sú plné sekvencií génov podobných fágovým, o ktorých funkcii zatiaľ nič nevieme. Preto je veľmi zložité stanoviť obecný význam GTA v evolúcii. V evolúcii alfaproteobaktérií, kde patrí nám skúmaný Rhodobacter capsulatus, je tento mechanizmus významný. Pravdepodobne je kľúčový pre ich adaptáciu na zmeny podmienok v prostredí ako napríklad typ metabolitu. Vďaka tomu sú najpočetnejšou skupinou organizmov v miernom oceánskom pásme.
Naopak verzi, že by z některé viry vznikly z GTA, tedy spíše nezastáváte? Jaké z mnoha teorií o původu virů dáváte přednost?
Je možné, že niektoré vírusy vznikli z GTA systémov, rozumejme proteínových obalov prenášajúcich náhodné kúsky DNA, kódovaných prvotnými bunkami. Tieto primitívne GTA systémy by boli veľmi rozdielne od tých súčasných. Osobne si myslím, že rôzne typy vírusov vznikli rôznymi mechanizmami. Niektoré veľké vírusy ako napríklad vírus kiahní, ktorý obsahuje stovky génov, pravdepodobne vznikol redukciou kedysi samostatného jednobunkového organizmu na bunkového parazita. Retrovírusy, medzi ktoré patrí napríklad vírus HIV, mohli vzniknúť náhodnou kombináciou informácie pre samoreplikáciu molekuly RNA a informácie pre obalový proteín, ktorú túto molekulu chráni. Hypotéz je mnoho a dôkazov pramálo. Evolúcia stihla zahladiť všetky stopy.
