Download
1 / 34
E N D
Fülogeneesi uurimisel eeldatatakse, et sarnastel gruppidel on üks ühine eellane.Eeldatakse seda, et mittesugulastaksonite vahel pole toimunud märkimisväärset geenivahetust. Tegelikult toimub geneetilise info ülekanne bakterite vahel nii konjugatsioonil, transformatsioonil kui ka transduktsioonil. Transposoonidel ka suur roll. Juba 1928 a. näidati, et taksonoomiliselt kaugete bakterite vahel saab toimuda geeniülekanne.
Transformatsioon Paljud mikroobid nagu Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus infuencae, Helicobacter pylori ja Streptococcus pneumoniae on nn loomulikult transformatsioonikompetentsed ja võtavad keskkonnast vastu DNAd. Mõned inimese ninaneelus elavad bakterid on kogu aeg transformatsioonikompetentsed. See joon on üldiselt omane paljudele patogeenidele. Näiteks Bacillus subtilis aga muutub transformatsioonikompetentseks siis, kui populatsioonitihedus kasvab. Keskkonnas on alati ka DNAd, mis võib rakku tungida. Eksperimentaalselt on see ka tõestatud.
Konjugatsioon Bakterid seostuvad konjugatsioonipiilidega ja plasmiidne DNA kandub doonorrakust retsipienti. Üle kanduvad konjugatiivsed plasmiidid. Konjugeeruda saavad ka üksteisest kauged bakterid. Näiteks E. coli saab konjugeeruda isegi tsüanobakteritega. On näidatud, et E. coli saab konjugeeruda isegi pagaripärmiga. Seega saavad geenid konjugatsiooniga üle kanduda isegi eri domeenidesse kuuluvate organismide vahel.
Sphingomonas aromaticovorus’est leitud väga suur konjugatiivne plasmiid, mille paikneb 15 geeniklastrit, mis seotud aromaatika (naftaleen, kresool jne) lagundamisega. Arvatakse, at need geenid on kujunenud välja juba enne, kui hakati laialdaselt kasutama ksenobiootikume. Ilmselt kujunesid need geenid välja ligniini monomeere lagundavate ensüümide geenide baasil, kuna need rajad ja vastavad geenid on sarnased. Ksenobiootikumide katabolismi geenid võivad paikneda ka transposoonidel. Plasmiidide ja transposoonide vahendusel saavad nad levida erinevate bakterite vahel.
Näiteid looduses transformatsiooni või konjugatsiooni teel toimunud geeniülekandest
Transduktsioon Geenide ülekandumine bakterilt bakterile viiruste abil. Näiteks Helicobacter pylori ja Vibrio cholerae puhul on näidatud, et nende olulisimad virulenstsusgeenid on neile üle kandunud transduktsiooniga. On faage, kes saavad nakatada väga erinevaid baktereid ja nii kanda võõrast DNAd üle evolutsiooniliśelt kaugete bakterite vahel. NB! Paljusid toksiine patogeensetel bakteritel kodeeritakse profaagiga (difteeriatoksiin näiteks). Ka Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholera, Shigella ja Escherichia patogeensete tüvede virulentsusfktoreid kodeeritakse mõõdukate faagide järjestustega. Ka näiteks Bacillus subtilise genoomijärjestuste uurimine on näidanud, et esineb palju profaagidele vihjavaid inserte.
Mis takistab horisontaalset uute geenide omandamist? • Võõra DNA ebastabiilsus; • Restriktaasid; • Ebasobiv koodonikasutus; • Mittesobiv splaising; • Ebapiisav inegratsioon teiste geeniproduktidega (näiteks uues peremehes puuduvad valgud, mis on vajalikud saabunud geeniga kodeeritava valgu integreerimiseks raku ainevahetusse)
Patogeensuse saared Patogeensuse saared on suured (10-200 kB) piirkonnad genoomis, mis erinevad muust genoomist GC-sisalduse poolest, ning mis sisaldavad paljusid virulentsusgeene. Saarte omandamine annab bakteritele kohe korraga palju uusi omadusi – teeb ta virulentseks või suurendab virulentsust. Patogeensuse saari esineb nii gramnegatiivsetel kui ka grampositiivsetel bakteritel. Neid saari piiravad otsesed kordusjärjestused ja tRNA-d kodeerivad geenid. Saartel on ka elemendi mobiilsuse eest vastutavaid geene, näiteks transposaasi geen ja integraasi geen. Saared ei ole püsivad ja võivad bakterist ka elimineeruda.
Patogeensuse saared Ülekandunud geenide blokk (genoomne saar) piirneb tRNA geeni järjestusega ja otseste kordusjärjestustega (DR). Genoomse saare GC sisaldus on erinev genoomi keskmisest GC sisaldusest. int, integraasi geen; IS, IS -element
UropatogeensetelE. coli tüvedel sisaldavad patogeensuse saared adhesiooniks vajalikud geene (P-piilid jne), raua transpordiks ja kapsli sünteesiks vajalikke geene. Uropatogeensete E. coli tüvede virulentsusfaktorid ja nende paiknemine genoomis. Patogeensuse saartel paiknevad adhesiooni, toksiinide, raua transpordi ja kapsli geenid. Patogeensuse saared
Patogeensuse saared Enterobakterite hulka kuuluvas perekonnas Yersinia on 11 liiki: neist 3 ohtlikku patogeeni. Y. pestis põhjustab katku, Y. enterocolitica ja Y. pseudotuberculosis on süütumad- põhjustavad soolepõletikke. Kõigi nende kolme liigi virulentsetest tüvedest on leitud patogeensuse saar, mis kodeerib siderofoori jersiniabaktiini sünteesi. Saare GC sisaldus on 60%, muidu kromosoomis keskmiselt 46-50%. Inserteerunud on see saar asparagiini tRNA geeni. Võimaldab patogeenil omastada inimese organismis rauda. Saarest on leitud ka faagi DNA integraasi geen. Arvatavasti on saar üle kandunud faagi vahendusel.
Patogeensuse saared • Patogeensuse saar võiks tekkida nii: • Esmalt integreerub plasmiid või faag bakterigenoomi. Atraktiivseks integratsioonipiirkonnaks on tRNA geenid, mis on eubakteritel tugevasti konserveerunud järjestusega. Faagid kasutavad integreerumiseks integraasi, mida nad kodeerivad. Integreeritav element kannab virulentsusgeene (toksiinide geenid jne.). • Integreerunud faagi võib käsitleda kui patogeensuse saare eellast, mis võib genoomis satabiliseeruda, kui inaktiveeritakse või deleteeritakse tema mobiilsuse eest vastutavad elemendid, näiteks integraasi geen. • Faagispetsiifiliste piirkondade deleteerumisega moodustub patogeensusesaar, mis on stabiilne osa genoomist.
Patogeensuse saare teke Saare stabiliseerumine Saare deleteerumine Int, integraas; Tra, ülekandumine; vir, virulentsus
Horisontaalselt saabunud geenile vihjab geeni teine GC% (joonis) ja valke kodeerivate geenide erinev koodonikasutus 52% 47% 52% Näiteks arhe Methanobacterium thermoautotrophicumi genoomis on rida piirkondi, mille GC-sisaldus on ca 10% madalam, kui teistes piirkondades. Nende madalama GC-sisaldusega geenide koodonikasutus on ka teistsugune. M. thermoautotrophicumil leiti 36 orfi, mis puudus talle lähedasel bakteril Methanococcus jannaschii. Kõik see räägib HGT kasuks. Metanogeenidele on lähedane ka arhe Archaeoglobus fulgidus. Metanogeenide ja Archaeoglobuse geenid, mis kodeerivad transkriptsiooni, translatsiooni ja replikatsiooni valke, on väga sarnased. Aga näiteks trüptofaani biosünteesi raja geenid on A. fulgidusel väga sarnased grampositiivse bakteri Bacillus subtilis vastavate geenidega, kuigi need kaks bakterit on evolutsiooniliselt väga kauged. Ilmselt on Trp biosünteesiraja geenid horisontaalselt omandatud.
Hüpertermofiilsed arhed ja HGT Palju on horisontaalset geenivahetust ilmselt toimunud hüpertermofiilidel. Näiteks arhedel Pyrococcus furiosus, Pyrococcus abyssi ja Pyrococcus horikoshii olid energeetika ja ainete transpordi eest vastutavad geenid suhteliselt erinevad. Nendest kolmest liigist suudab ainult P. furiosus kasutada maltoosi ja maltodekstriine. Maltoosi transporteri geen P. furiosusel on väga sarnane E. coli vastava geeniga. Sarnane maltoosi transporteri geen on olemas ka hüpertermofiilsel arhel Thermococcus litoralis. Arvatakse, et maltoosi permeaasi geeni on need arhed saanud horisontaalse geenitriiviga. Maltoosi kasutamise võime omandamine on bakterile kindlasti kasulik ja seetõttu on see geen neisse liikidesse ka püsima jäänud.
Hüpertermofiilid ja HGT Thermotoga maritima on evolutsiooniliselt vana eubakter, hüpertermofiil. Selgus, et 24% T. maritima avatud lugemisraamidest oli sarnane arhede, just hüpertermofiilsete arhede geenidega. Enamus arhede-päritoluga Thermotogamaritima geenidest on seotud ainete transpordi ja energeetilise metabolismiga. Selliste geenide ülekanne võis anda bakterile selge eelise- ta sai hakata kasutama uusi toitaineid. Palju arhedele sarnaseid geene on ka Aquifex aeolicuse genoomis. A. aeolicus on ka evolutsiooniliselt vana termofiilne eubakter. Seega arvatakse, et on toimunud massiline geenivahetus hüpertermofiilsete arhede ja bakterite vahel.
Kergesti kanduvad üle resistentsusgeenid raskemetallidele, antibiootikumidele ja ka näiteks N2 fikseerimise geenid. Näiteks Rhizobiumide evolutsioonis on näidatud, et nende vahel võib üle kanduda terve 500 kB suurune sümbioosi saar (üks genoomse saare variant), mis kodeerib N2 fikseerimise eest ja taimega seostumise eest vastutavate valkude sünteesi. Rhizobiumiga juuremügarad hernel
Enterobakterid ja HGT E. coli ja Salmonellagenoomide sekveneerimine näitas, et 17-18%nende kogu genoomist võib olla omandatud horisontaalse geenitriiviga viimase 100 miljoni aasta jooksul. Genoomsete järjestustevõrdlemine näitas, et ilmselt olid kõik need geenid, mis kodeerisid diagnostikasolulisi tunnuseid (tsitraadi ja laktoosi kasutamine, indooli tootmine) omandatud horisontaalselt, mitte pärit otsesteslt eellastelt.
Salmonella ja HGT Salmonella kõik tüved on patogeensed, põhjustades erineva raskusastmega haiguspilti. Salmonellade genoomis on üks virulentsusplasmiid, vähemalt 5 patogeensuse saart ja mitmeid väiksemaid patogeensuse saarekesi, mis kõik kodeerivad virulenstusfaktoreid. Enamus “võõrastest” geenidest oli inserteerunud SalmonellaltRNA geenide läheduses, mis viitab sellele, et neid võisid sinna kanda faagid. Enamik lüsogeenseid kolifaage inserteerub DNAsse just tRNA geenide piirkonda.
Shigella ja HGT Shigella liigid (põhjustavad düsenteeriat) ja Escherichia coli on DNA järjestuste alusel nii sarnased, et nad peaksid kuuluma ühte liiki. Ühte liiki pole neid aga pandud, sest see ajaks segadusse arstid, kes diagnoosi panevad ja ravi määravad. Shigellal on neli põhilist liiki, S. dysentheriae, S. flexneri, S. boidii ja S. sonnei, mis põhjustavad erineva raskusastmega haiguspilti. Shigellal on väga väike minimaalne rakudoos, mida on haigestumiseks vaja – vähem kui 100 rakku sisse juua või süüa. Shigellatüved on patogeensed tänu virulentsusplasmiidile ja vähemalt kahele patogeensusesaarele, mida nad kannavad. Virulentsusplasmiid kodeerib näiteks valke, mis on vajalikud epiteelrakkudesse tungimiseks ja nende vahel liikumiseks. Kui selline plasmiid viia tavalisse E. coli’sse, siis saadakse enteroinvasiivne tüvi. Seda on laborikatsetega näidatud. Shigellaerineb Escherichiastlaktoosi kääritamise poolest (Shigella ei käärita laktoosi) ja liikumisvõime poolest (Shigella ei liigu). Ka ei sünteesi ShigellaLys dekarboksülaasi.
Kuidas kujunesid välja Shigella tüved? Shigella erinevad tüved on oletatavasti kujunenud välja E. coli tüvede baasil, omandades geene, mis kodeerivad virulentsusfaktoreid. Inimese sooles on kerge ette kujutada sellist ülekannet, kasvõi näiteks konjugatsiooniga. E. coli + virulentsusgeenid = Shigella Samamoodi võisid tekkida ka Shigelladele ülisarnased E. coli enteroinvasiivsed ja enterohemorraagilised tüved E. coli + virulentsusgeenid = patogeensed E. coli tüved
Kuidas kujunesid välja Shigella tüved? Kuidas kujunes välja liikumisvõime kadu? Shigella tüved ei suuda viburitega liikuda. Arvatakse, et liikumisvõime kadu on kujunenud välja neil tüvedel pärast virulentsusgeenide omandamist. Erinevatel Shigella tüvedel on näidatud, et liikumisvõime võis kaduda tänu mutatsioonidele viburi sünteesi määravates geenides. Kuna Shigella on võimeline liikuma ühest epiteelirakust teise, kasutades ära peremeesraku aktiini, siis elimineeriti viburitega liikumine. Lys dekarboksülaasi geeni kadumine Shigellal on seotud tema virulentsusega. On selgunud, et Lys dekarboksüülimisel moodustuv kadaveriin vähendab bakteri poolt toodetava enterotoksiini toimet enterotsüütidele ja seega oli kasulik see geen elimineerida.
Kuidas kujunesid välja Shigella tüved? Kadaveriin kaitseb enterotsüüte Shigella poolt toodetava enterotoksiini eest. Vastava geeni elimineerimine suurendas Shigella virulentsust. Kui Lys dekarboksülaasi geen viia sisse Shigellasse, siis tema virulentsus ja enterotoksigeenne aktiivsus vähenevad. Ka E. coli enteroinvasiivsetest tüvedest on see geen elimineerunud.
Kuidas tekkisid E. coli patogeensed tüved? E. colienteroinvasiivsed ja enterohemorraagilised tüved võisid tekkida E. coli mittepatogeensete tüvede baasil uute geenide horisontaalsel omandamisel. E. coli 157:H7 (entrohemorraagiline) põhjustab soolte- ja uroinfektsioone. Tema genoom ca 700 kb suurem, kui E. coliK12 oma ja temas on ca 1300 geeni, mis puudub tüvel K12. Temas on leitud vähemalt 9 patogeensuse saart, mis puuduvad tüvel K12.
Nimetus Tüüp Suurus (kb) Virulentsusfaktorid PO157 Plasmiid 92 Hemolüsiin, klostridiaalne toksiin, kalataas-peroksidaas, rakuväline Ser-proteaas 933W Lüsogeenne faag 62 Shiga toksiin 2, Ser/Thr proteiini kinaas, makrofaagides säilumine, seerumresistentsus LEE Patogeensuse saar 43 Intimiin (vajalik enterotsüütidega seostumiseks) Patogeensusega seotud horisontaalselt omandatud mobiilsed geneetilised elemendid E. coli enterohemorraagilisel tüvel 157:H7
Taimedega seotud bakterid ja HGT Graamnegatiivsed bakterid Zymomonas mobilis, Erwinia amylovora, Pseudomonas syringae ja Acetobacter diazotrophicus on kõik võimelised sünteesima sahharoosist hargnenud ahelaga polüsahhariide (levaane). Arvatakse, et vastavad geenid (levaansukraase kodeerivad geenid) on taimede pinnal ja taimemahlas leiduvate bakterite vahel horisontaalselt levinud. Levaani moodustamine kaitseb bakterit taime kaitsemehhanismide vastu. Levaan hoiab ka niiskust, aitab kleepuda pinnale jne.
Batsillid ja HGT B. cereus, B. anthracis ja B. thuringensis peaksid DNA homoloogia alusel kuuluma ühte liiki, aga ei kuulu. B. cereus on tavaline mullabakter, mis võib põhjustada ka toidumürgitust ja periodontaalseid haigusi. B. thuringesis on putukavastsetele patogeenne bakter, kellel toksilisust põhjustab kristalliline valguline toksiin. B. anthracis põhjustab siberi katku. Viimasel ajal räägitakse temast palju seoses terrorismi ja bakterioloogilise relvaga.
Batsillid ja HGT B. thuringensis eristabB. cereusest, vaid see, et ta omab suurt plasmiidi, mis mis kodeerib putukavastsetele mürgist valgulist toksiini. Kui see plasmiid rakust elimineerub, siis on saadud tüve võimatu eristada B. cereusest. B. cereuse vegetatiivsed rakud ja endospoorid
Batsillid ja HGT B. arthracisel(siberi katku tekitaja) on kaks suurt virulentsusplasmiidi: üks kodeerib kapsli sünteesi ja teine siberi katku toksiini. Kui need plasmiidid rakust kaovad, ei ole saadud tüve jällegi võimalik eristada B. cereusest. Võrreldi B. cereuse, B. anthracise ja B. thuringensisetüvedel 9 kromosoomse geeni järjestusi. Nende geenide järjestused olid kõigil uuritud tüvedel 92-99% identsed. Sama analüüsi järgi oli B. anthracisega praktiliselt identne mullast isoleeritud ja B. cereusena kirjeldatud tüvi. Isoleerimispaigas oli vastselt olnud siberi katku puhang. Tulemust kommenteeriti nii, et ilmselt oli sealsamas mullas toimunud plasmiidi kadu B. anrthracise rakkudest ja oli saadud looduslikes tingimustes tagasi nn algne mitepatogeenne B. cereuse tüvi.
Kuna nende kolme Bacilluse liigi puhul on näidatud, et nad omandavad hõlpsasti plasmiide konjugatsiooniga, siis ilmselt on B. thuringensise ja B. anthracise tüved moodustunud B. cereuse tüvedest virulentsusplasmiidide omandamise tagajärjel.
Üldiselt arvatakse, et HGT ei löö kindlasti täielikult segi evolutsioonipuud, kuid teeb erinevate puude analüüsimise keerulisemaks. Suurema tõenäosusega kanduvad efektiivselt üle geenid, mis kodeerivad produkte, mis töötavad “üksi” ega vaja tihedat interaktsiooni aktseptororganismi teiste valkudega. Kui kandub üle geen, mille produkt peab hiljem interakteeruma väga suure hulga erinevate valkudega, siis ei pruugi ta tööle hakata ja evolutsioonis püsima jääda.
Igal juhul annab HGT palju materjali (uusi geneetilisi variante) looduslikule valikule. Kindlasti rohkem, kui punktmutatsioonid geenides. Kuna ribosomaalsete geenide järjestusi kasutatakse evolutsioonilises süstemaatikas, siis on oluline ka see, et viimasel ajal on näidatud, et ka terve rRNA operon võib ühelt bakterilt üle kanduda. Aktinomütseedil Thermomonospora on näiteks kaks erinevat rRNA operoni ja tal on tõestatud, et üks neist võis üle kanduda horisontaalselt.
