انتقال افقی ژن در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها

فهرست مطالب نمایش

مقدمه‌ای بر انتقال افقی ژن (Horizontal Gene Transfer) در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها

انتقال افقی ژن (HGT) که به عنوان انتقال ژن جانبی (Lateral gene transfer) نیز شناخته می‌شود، انتقال اطلاعات ژنتیکی بین ارگانیسم‌های کم و بیش مرتبط است. این انتقال با انتقال عمودی ژن (vertical gene transfer) که شامل انتقال مواد ژنتیکی از والدین به فرزندان است، متفاوت است.

HGT در ویژگی‌های ژنتیکی، فیزیولوژیکی و اکولوژیکی ارگانیسم‌های میزبان مشارکت دارد. تبادل مواد ژنتیکی می‌تواند پیامدهای مثبت و منفی بر سیستم‌های بیولوژیکی داشته باشد.

احتمال بروز HGT بین ارگانیسم‌هایی که در مجاورت یکدیگر هستند بیشتر است، زیرا ژنوم آن‌ها تماس بیشتری با هم دارد. HGT معمولاً در بین پروکاریوت‌ها (Prokaryote) (عمدتاً در گروه‌های باکتریایی) مشاهده می‌شود، اما می‌تواند در گیاهان، جانوران و سایر یوکاریوت‌ها (Eukaryote) نیز رخ دهد.

درک مکانیسم‌های مختلفی که توسط آن HGT رخ می‌دهد، مهم است. این مکانیسم‌ها از انتقال مواد ژنتیکی از طریق ترانسفورماسیون (Transformation)، کونژوگاسیون (Conjugation)، ترانس‌داکشن (Transduction)، وزیکول‌های (Vesicle) خارج سلولی و نانولوله‌ها (Nanotube) در پروکاریوت‌ها تا تبادل اجسام آپوپتوز (Apoptotic body) و DNA بدون سلول (Cell-free DNA) در یوکاریوت‌ها متفاوت است.

انتقال افقی ژن در پروکاریوت‌ها

مکانیسم‌های انتقال افقی ژن (HGT) در پروکاریوت‌ها شامل سه فرآیند اصلی است:

ترانسفورماسیون
کونژوگاسیون
ترانس‌داکشن

ترانسفورماسیون

ترانسفورماسیون یک فرآیند تبادل ژنتیکی در پروکاریوت‌ها است که شامل جذب و تبادل قطعات DNA بین دهنده و گیرنده است.
در ترانسفورماسیون، یک گیرنده کارامد می‌تواند قطعات DNA را از یک اهدا کننده مرده یا تخریب شده بگیرد. این امر به آن‌ها اجازه می‌دهد تا مواد ژنتیکی را با سایر سلول‌های مربوط به همان گونه یا گونه‌های متفاوت مبادله کنند.
Frederick Griffith در سال 1928 هنگام مطالعه باکتری استرپتوکوکوس پنومونیه (Streptococcus pneumoniae) ترانسفورماسیون را کشف کرد.
Griffith دریافت که تزریق مخلوطی از پنوموکوک‌های نوع III S (نوع مهلک) که توسط گرما کشته شده‌اند و پنوموکوک‌های زنده نوع II R (نوع بی‌خطر) به موش‌ها باعث ایجاد پنومونی (Pneumonia) در موش‌ها شده و منجر به بازیابی سلول‌های S زنده نوع III می‌شود.
ترانسفورماسیون سلول‌های R نوع II غیر بیماری‌زا به سلول‌های S بدخیم نوع III، مبادله مواد ژنتیکی را تلقین می‌کند.
آزمایش Griffith نشان داد که باکتری‌های بی‌ضرر در صورت مخلوط شدن با باکتری‌های مضر کشته شده با حرارت می‌توانند به باکتری‌های مضر تبدیل شوند. این یافته به درک این‌که چگونه باکتری‌ها می‌توانند از طریق تبادل مواد ژنتیکی، ویژگی‌های جدیدی به دست آورند، کمک کرد.

کونژوگاسیون

کونژوگاسیون یک روش تبادل ژنتیکی است که در آن یک باکتری دهنده، DNA را از طریق تماس مستقیم با سلول به باکتری گیرنده منتقل می‌کند.
اولین بار در سال 1946 توسط Edward Tatum و Joshua Lederberg کشف شد. آن‌ها دریافتند که باکتری‌ها می‌توانند DNA را از طریق مکانیسم انتقال یک سویه با استفاده از یک عنصر ژنتیکی به نام فاکتور F یا پلاسمید F (Plasmid F) منتقل کنند.
کونژوگاسیون شامل انواع مختلفی از عناصر هم‌یوغی‌شونده مانند پلاسمیدها، ترانسپوزون‌های (Transposon) هم‌یوغی‌شونده و عناصر هم‌یوغی‌شونده ترکیبی می‌شود.
کونژوگاسیون از طریق یک پیلوس (Pilus) کونژوگاسیون صورت می‌گیرد. پیلوس باکتری اهداکننده به باکتری گیرنده متصل شده و پروتئین‌های غشایی، پلی بین آن‌ها ایجاد می‌کنند. DNA روی پلاسمید هم‌یوغی‌شونده در مبدأ محل انتقال (Origin of the transfer site (oriT)) برش می‌خورد و رشته‌ای که شکسته شده وارد باکتری گیرنده می‌شود در حالی که رشته دیگر در اهداکننده باقی می‌ماند.
کونژوگاسیون F+ شامل انتقال پلاسمید F+ از یک باکتری دهنده به باکتری گیرنده است. پلاسمید F+ حامل ژن‌هایی (ژن‌های tra) است که مسئول تشکیل پیلوس و ایجاد زوج آمیزشی هستند.
کونژوگاسیون Hfr زمانی اتفاق می‌افتد که یک پلاسمید F+ در کروموزوم باکتریایی ادغام می‌شود و یک باکتری Hfr را تشکیل می‌دهد.

ترانس‌داکشن

ترانس‌داکشن فرآیندی است که در آن یک باکتریوفاژ (Bacteriophage) (ویروسی که باکتری‌ها را آلوده می‌کند) قطعه DNA را از یک باکتری به باکتری دیگر منتقل می‌کند.
کشف ترانس‌داکشن توسط Norton Zinder و Joshua Lederberg در سال 1952 هنگام مطالعه باکتریوفاژ P22 انجام شد. آن‌ها مشاهده کردند که باکتریوفاژها می‌توانند ژن‌ها را از یک باکتری به باکتری دیگر حمل کنند که منجر به تبادل مواد ژنتیکی می‌شود.
ترانس‌داکشن را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد: ترانسداکشن عمومی (Generalized transduction) و ترانس‌داکشن اختصاصی (Specialized transduction).
ترانس‌داکشن عمومی نوعی ترانس‌داکشن است که در آن باکتریوفاژها می‌توانند هر ژن باکتریایی را از یک سلول به سلول دیگر منتقل کنند. ترانس‌داکشن عمومی شامل انتقال قطعات تصادفی DNA باکتریایی است. قطعه DNA به جای ژنوم فاژ (Phage)، در سر فاژ جای می‌گیرد. هنگامی که فاژ، باکتری دیگری را آلوده می‌کند، این قطعه DNA باکتریایی می‌تواند از طریق نوترکیبی به کروموزوم باکتری گیرنده منتقل و ادغام شود. نمونه‌هایی از فاژهای ترانسدوکتور عمومی، فاژهای P22 در سالمونلا تیفی‌موریوم (Salmonella typhimurium) و P1 در اشریشیا کلی (Escherichia coli) هستند.
ترانس‌داکشن اختصاصی با انتقال ژن‌های خاص بین باکتری‌ها مشخص می‌شود. این انتقال زمانی اتفاق می‌افتد که یک رویداد نوترکیبی بین میزبان و کروموزوم فاژ در طول چرخه زندگی لیزوژنیک (Lysogenic) باکتریوفاژ وجود داشته باشد. این امر باعث می‌شود که فاژ، قطعه‌ای از DNA باکتری را حمل کند. هنگامی که فاژ باکتری دیگری را آلوده می‌کند، DNA فاژ و باکتری را به گیرنده منتقل می‌کند. باکتریوفاژ لامبدا (λ) یک نمونه شناخته شده از یک فاژ ترانسدوکتور اختصاصی است.

علاوه بر این سه مکانیسم اصلی HGT، سایر واسطه‌های جدید در پروکاریوت‌ها شامل عوامل انتقال ژن (Gene transfer agents (GTAs))، نانولوله‌ها و وزیکول‌های غشایی (membrane vesicles (MVs)) می‌شوند.

عوامل انتقال ژن (GTAs) ذراتی شبیه باکتریوفاژ هستند که به عنوان وکتور (Vector) طبیعی عمل می‌کنند. برخی از باکتری‌ها GTA تولید می‌کنند تا قطعات تصادفی DNA خود را به سلول‌های دیگر منتقل کنند. تبادل ژن‌ها از طریق GTA در ابتدا در رودوباکتر (Rhodobacter) (نوعی باکتری غیر گوگردی بنفش) مشاهده و مورد مطالعه قرار گرفت.
نانولوله‌ها ساختارهای بین سلولی هستند که از غشاهای باکتری مانندی تشکیل شده‌اند که سلول‌های مجاور را به هم متصل می‌کنند. آن‌ها تبادل مولکول‌های درون سلولی مانند متابولیت‌ها (Metabolite)، پروتئین‌ها، mRNA و DNA پلاسمید را تسهیل می‌کنند.
وزیکول‌های غشایی یا وزیکول‌های خارج سلولی، ساختارهای دولایه‌ای هستند که توسط باکتری‌ها آزاد می‌شوند. آن‌ها می‌توانند مولکول‌های زیستی (Biomolecule) را بین باکتری‌ها انتقال دهند و از آن‌ها در طول فرآیند انتقال محافظت کنند و احتمال انتقال ژن موفق را افزایش دهند.

انتقال افقی ژن در یوکاریوت‌ها

انتقال افقی ژن (HGT) در باکتری‌ها شناخته شده است اما در ارگانیسم‌های یوکاریوتی پیچیده، بعید به نظر می‌رسد. با این حال، شواهد بیشتری از HGT در جلبک‌ها، قارچ‌ها، گیاهان و حیوانات، از جمله مهره‌داران پدیدار شده است.
در یوکاریوت‌ها، HGT از طریق مکانیسم‌های مختلفی رخ می‌دهد. مکانیسم‌های دقیقی که توسط آن این انتقال رخ می‌دهد هنوز به طور کامل شناخته نشده است، اما مکانیسم‌های بالقوه مختلفی برای توضیح این فرآیند انتقال پیشنهاد شده است.
انگل‌هایی که در داخل سلول‌های میزبان زندگی می‌کنند، می‌توانند ژن‌ها را به میزبان خود منتقل کنند. یک مثال شامل انتقال مواد ژنتیکی بین گونه‌های گیاهی است که توسط اتصالات میزبان و انگل تسهیل می‌شود. انگل‌ها می‌توانند به عنوان وکتور عمل کرده و ژن‌های میتوکندری را بین گونه‌های مختلف گیاهی منتقل کنند.
ترانسپوزون‌ها که به عنوان ژن‌های پرش (Jumping gene) یا DNA خودخواه (Selfish DNA) نیز شناخته می‌شوند، واسطه دیگری برای HGT در گیاهان و حیوانات هستند. آن‌ها انتقال مواد ژنتیکی بین گونه‌ها را تسهیل می‌کنند. یکی از نمونه‌های قابل توجه تبادل ژنتیکی از طریق ترانسپوزون در انتقال ترانسپوزون‌ها بین گیاهان برنج و ارزن مشاهده می‌شود.
ویروس‌ها نیز می‌توانند ناقل بالقوه برای HGT باشند. ویروس‌ها می‌توانند مواد ژنتیکی را به هسته سلول‌های میزبان وارد کنند. برخی از ویروس‌ها، از جمله رترو ویروس‌ها، توانایی ادغام DNA در کروموزوم‌های میزبان را دارند.
در طی فرآیندهای ترمیم DNA درون‌زا، DNA خارجی ممکن است ناخواسته در ژنوم گنجانده شود.

علاوه بر این مکانیسم‌ها، واسطه‌های HGT جدیدی در یوکاریوت‌ها شناسایی شده‌اند. این واسطه‌ها شامل اجسام آپوپتوتیک (Apoptotic)، اگزوزوم‌ها (Exosome) و DNA بدون سلول (cfDNA) می‌شود که در زیر به اختصار توضیح داده شده است:

اجسام آپوپتوز

اجسام آپوپتوز، وزیکول‌های کوچکی هستند که از سلول‌های تومور در حال مرگ در طی فرایند آپوپتوز آزاد می‌شوند. آن‌ها حاوی DNA، RNA و پروتئین هستند و می‌توانند این اطلاعات پیچیده را به سلول‌های همسایه منتقل کنند. غشای خارجی اجسام آپوپتوز به گونه‌ای تغییر می‌کند که باعث می‌شود سلول‌های همسایه فاگوسیت‌زا (Phagocytic) شوند که به آن‌ها اجازه می‌دهد اجسام آپوپتوز را ببلعد و در درون خود جای دهند.

این امر امکان تبادل اطلاعات ژنتیکی را فراهم می‌کند. اجسام آپوپتوز در فرآیندهای بیولوژیکی و بیماری‌های مختلفی نقش دارند. تحقیقات همچنین نشان داده‌اند که اجسام آپوپتوز می‌توانند DNA انکوژنی (Oncogenic) را به سلول‌های گیرنده منتقل کنند. علاوه بر این، اجسام آپوپتوز در انتقال ژن‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک و DNA ویروسی نقش دارند.

DNA بدون سلول در گردش (cfDNA)

جدا از اجسام آپوپتوز، مکانیسم دیگر انتقال ژن افقی در یوکاریوت‌ها از طریق DNA بدون سلول (cfDNA) در گردش است. cfDNA می‌تواند از سلول‌های آپوپتوز، سلول‌های نکروزه یا ترشح فعال سلولی مشتق شود. آزمایشات نشان داده است که cfDNA می‌تواند باعث تغییرات انکوژنی در سلول‌های طبیعی شود.

مطالعات نشان داده‌اند که cfDNA مشتق شده از سلول‌های سرطانی می‌تواند به سلول‌های سالم منتقل و باعث تغییرات ژنتیکی شود که به طور بالقوه منجر به تبدیل سلول‌های طبیعی به سلول‌های سرطانی می‌گردد. به عنوان مثال، مطالعات روی تبدیل سرطان روده بزرگ نشان داده است که مایع رویی سلول‌های سرطانی انسان و پلاسمای بیماران دارای سرطان روده بزرگ می‌تواند به صورت جانبی به سلول‌های سالم منتقل شود.

اگزوزوم

اگزوزوم‌ها که وزیکول‌های خارج سلولی کوچکی هستند، واسطه دیگری برای HGT هستند. اگزوزوم‌ها می‌توانند DNA و RNA ژنومی را به سلول‌های گیرنده منتقل کرده، آن‌ها را در ژنوم ادغام کنند و به طور بالقوه بر بیان ژن تأثیر بگذارند. اگزوزوم‌ها به‌عنوان وکتورهای طبیعی و غیرسمی عمل می‌کنند و می‌توانند در ژن‌درمانی به‌عنوان جایگزینی برای روش‌های کلونینگ ژن (Gene cloning) سنتی که می‌توانند زمان‌بر و پر زحمت باشند، استفاده شوند.

با این حال، در حالی که اگزوزوم‌ها کاربردهای امیدوارکننده‌ای در ژن درمانی دارند، می‌توانند عواقب ناخواسته‌ای نیز داشته باشند. به عنوان مثال، می‌تواند بر پتانسیل درمانی تکنیک‌های دستکاری ژن مانند سیستم CRISPR-Cas9 تأثیر بگذارد. در طول فرآیند ترمیم DNA توسط CRISPR-Cas9، اگزوزوم‌ها می‌توانند توالی‌های DNA خارجی، از جمله رتروترانسپوزون‌ها، DNA ژنومی، mRNA و وکتورها را جذب کنند. این ادغام ناخواسته DNA خارجی در ژنوم می‌تواند بر کارایی و ویژگی فناوری CRISPR-Cas9 تأثیر منفی بگذارد.

اهمیت انتقال افقی ژن

انتقال افقی ژن (HGT) نقش مهمی در تنوع ژنتیکی و سازگاری گونه‌ها دارد. HGT اجازه می‌دهد تا انتقال مواد ژنتیکی منجر به کسب صفات جدید شود. این تنوع ژنتیکی، توانایی ارگانیسم‌ها را برای سازگاری با تغییرات محیطی افزایش می‌دهد.
HGT به یک ابزار ارزشمند در مهندسی ژنتیک تبدیل شده است. انتقال افقی ژن امکان معرفی انتخابی تغییرات مورد نظر در ژنوم را فراهم و به رشد ارگانیسم‌های اصلاح شده ژنتیکی با صفات خاص کمک می‌کند.
HGT می‌تواند در تکنیک‌های انتقال ژن مصنوعی برای اهداف درمانی مانند ژن درمانی استفاده شود.
در کشاورزی، درک HGT می‌تواند روش‌های اصلاح ژنتیکی را در محصولات توسعه داده و منجر به بهبود ویژگی‌ها و افزایش تولید شود.
HGT نه تنها در انتقال صفات مفید بلکه در ظهور و عود بیماری‌های مختلف نیز مشارکت دارد و می‌تواند ژن‌های مرتبط با بیماری‌هایی مانند سرطان، اختلالات ژنتیکی، اختلالات متابولیک و بیماری‌های عصبی را منتقل کند. درک نقش HGT در بیماری‌های مختلف می‌تواند به توسعه درمان‌ها و روش‌های تشخیصی موثرتر کمک کند.

همچنین بخوانید:

منبع

مترجم: صادق حسینی‌کیا

از این مطلب چقدر راضی بودید؟

روی ستاره کلیک کنید تا نظرتون ثبت بشه