HORIZONTÁLNY PRENOS GÉNOV: MECHANIZMY A PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2026

Horizontálny prenos génov alebo laterálna prenos génov je výmena genetického materiálu medzi organizmy, ktoré sa nevyskytuje v rodinách. Táto udalosť sa koná medzi jedincami rovnakej generácie a môže sa vyskytnúť v jednobunkových alebo viacbunkových bytostiach.

K horizontálnemu prenosu dochádza prostredníctvom troch hlavných mechanizmov: konjugácie, transformácie a transdukcie. V prvom type je možná výmena dlhých fragmentov DNA, zatiaľ čo v posledných dvoch je prenos obmedzený na malé segmenty genetického materiálu.

Baktéria. THG je bežný u týchto organizmov. Zdroj pixabay.com

Opačným konceptom je vertikálny prenos génov, pri ktorom genetická informácia prechádza z organizmu na jeho potomstvo. Tento proces je rozšírený v eukaryotoch, ako sú rastliny a zvieratá. Naproti tomu horizontálny prenos je bežný v mikroorganizmoch.

V eukaryotoch nie je horizontálny transfer taký bežný. Existujú však dôkazy o výmene tohto javu, vrátane predkov ľudí, ktorí získali určité gény vírusmi.

Čo je horizontálny prenos génov?

Počas reprodukcie eukaryotické organizmy prenášajú svoje gény z jednej generácie na svoje potomstvo (deti) v procese známom ako vertikálny prenos génov. Prokaryoty tiež vykonávajú tento krok, ale pomocou asexuálnej reprodukcie štiepením alebo inými mechanizmami.

V prokaryotoch však existuje iný spôsob výmeny genetického materiálu nazývaný horizontálny prenos génov. Tu sa fragmenty DNA vymieňajú medzi organizmami rovnakej generácie a môžu prechádzať z jedného druhu na druhý.

Horizontálny prenos je u baktérií pomerne bežný. Zoberme si príklad génov, ktoré spôsobujú rezistenciu na antibiotiká. Tieto dôležité fragmenty DNA sa normálne prenášajú medzi baktériami rôznych druhov.

Tieto mechanizmy zahŕňajú značné lekárske komplikácie pri liečbe infekcií.

mechanizmy

Existujú tri základné mechanizmy, pomocou ktorých je možné DNA vymieňať horizontálnym prenosom. Sú to konjugácie, transformácie a transdukcie.

časovanie

Génový prenos prostredníctvom konjugácie je jediný typ, ktorý zahŕňa priamy kontakt medzi týmito dvoma baktériami.

Nemalo by sa však porovnávať s výmenou génov prostredníctvom sexuálnej reprodukcie (kde zvyčajne dochádza ku kontaktu medzi zúčastnenými organizmami), pretože postup je veľmi odlišný. Medzi hlavné rozdiely patrí absencia meiózy.

Počas konjugácie prechádza genetický materiál z jednej baktérie na druhú fyzickým kontaktom vytvoreným štruktúrou nazývanou pili. Funguje to ako spojovací most, kde dochádza k výmene.

Hoci sa baktérie nerozlišujú podľa pohlavia, organizmus, ktorý nesie malú okrúhlu DNA známu ako faktor F (plodnosť f), je známy ako „mužský“. Tieto bunky sú darcami počas konjugácie a prenášajú materiál do inej bunky, ktorá nemá faktor.

Faktor F DNA pozostáva z asi 40 génov, ktoré kontrolujú replikáciu sexuálneho faktora a syntézu pohlavných pili.

Prvý dôkaz konjugačného procesu pochádza z experimentov s Lederbergom a Tatom, ale nakoniec to bol Bernard Davis, ktorý ukázal, že kontakt je potrebný na prenos.

premena

Transformácia zahŕňa odobratie nahej molekuly DNA nachádzajúcej sa v prostredí v blízkosti hostiteľských baktérií. Tento kúsok DNA pochádza z inej baktérie.

Tento proces sa môže uskutočňovať prirodzene, pretože populácie baktérií sa obvykle transformujú. Podobne je možné transformáciu v laboratóriu simulovať tak, aby baktérie prinútili zaujať požadovanú DNA, ktorá sa nachádza vonku.

Teoreticky je možné odobrať akýkoľvek kus DNA. Bolo však pozorované, že tento proces zahŕňa malé molekuly.

transdukcia

Nakoniec sa transdukčný mechanizmus uskutoční pomocou fágu (vírusu), ktorý prenáša DNA z darcovskej baktérie príjemcovi. Rovnako ako v predchádzajúcom prípade je množstvo prenášanej DNA relatívne malé, pretože schopnosť vírusu prenášať DNA je obmedzená.

Zvyčajne je tento mechanizmus obmedzený na baktérie, ktoré sú fylogeneticky blízko, pretože vírus, ktorý nesie DNA, sa musí viazať na špecifické receptory na baktériách, aby mohol materiál vstreknúť.

Príklady

Endonukleázy sú enzýmy, ktoré majú schopnosť prerušiť fosfodiesterové väzby zvnútra polynukleotidového reťazca - preto sa nazývajú endo. Tieto enzýmy sa nikde nerežú, majú na to konkrétne miesta nazývané reštrikčné miesta.

Aminokyselinové sekvencie pre enzýmy EcoRI (v E. coli) a RSRI (v Rhodobacter sphaeroides) majú sekvenciu takmer 300 zvyškov aminokyselín, ktoré sú 50% identické, čo jasne naznačuje úzku evolučnú príbuznosť.

Avšak vďaka štúdiu ďalších molekulárnych a biochemických charakteristík sú tieto dve baktérie veľmi odlišné a z fylogenetického hľadiska sú veľmi málo spojené.

Gén, ktorý kóduje enzým EcoRI, navyše používa veľmi špecifické kodóny, ktoré sa líšia od tých, ktoré sa bežne používajú v E. coli, takže existuje podozrenie, že gén nepochádzal z tejto baktérie.

Horizontálny prenos génov v evolúcii

V roku 1859 britský prírodovedec Charles Darwin revolucionalizoval biologické vedy svojou evolučnou teóriou prostredníctvom prirodzeného výberu. Vo svojej ikonickej knihe Pôvod druhov Darwin navrhuje metaforu stromu života, aby ilustroval genealogické vzťahy medzi druhmi.

Dnes sú fylogénie formálnym vyjadrením tejto metafory, pri ktorej sa predpokladá, že prenos genetickej informácie prebieha vertikálne - z rodičov na deti.

Túto víziu môžeme uplatniť bez väčších nepríjemností na viacbunkové organizmy a získame rozvetvený vzorec, ako navrhuje Darwin.

Toto zastúpenie vetiev bez fúzií je však ťažké aplikovať na mikroorganizmy. Pri porovnaní genómov rôznych prokaryot je zrejmé, že medzi líniami existuje rozsiahly génový prenos.

Vzťah vzťahov je teda skôr ako sieť, s vetvami spojenými a fúzovanými dohromady, vďaka prevalencii horizontálneho prenosu génov.

Referencie

1. Gogarten, JP, a Townsend, JP (2005). Horizontálny prenos génov, inovácia a vývoj genómu. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ, a Palmer, JD (2008). Horizontálny prenos génov v eukaryotickej evolúcii. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetika: koncepčný prístup. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P. a McMillan, B. (2013). Biológia: Dynamická veda. Nelson Vzdelanie.
5. Sumbali, G., a Mehrotra, RS (2009). Princípy mikrobiológie. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., & Kado, CI (2001). Horizontálny prenos génov. Academic Press.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiológie. Panamerican Medical Ed.