КАК ПРОИСХОДИТ И ЧЕМ ЛИМИТИРУЕТСЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ У БАКТЕРИЙ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Горизонтальный перенос генов является, наряду с мутационной изменчивостью, внутригеномными перестройками и утратами генов, одной из движущих сил видообразования и эволюции у бактерий. Изложены представления о видовом геноме, об участии различных мобильных элементов в реализации отдаленного горизонтального переноса генов, сведения о барьерах, лимитирующих такой перенос на уровне молекулярных, клеточных и популяционных процессов. Обсуждается значение различных систем рекомбинации; рассмотрена сущность гипотезы о ведущей роли горизонтального переноса генов в процессах генетической и экологической диверсификации бактерий.

Об авторах

Сергей Васильевич Шестаков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, РФ

Email: shestakovgen@mail.ru 119 234, Russia, Moscow, Leninskie Gory, etc. 1, p. 12, MSU

Список литературы

  1. Заварзин Г. А. Составляет ли эволюция смысл биологии/Заварзин Г. А.//Вестник РАН. -2006. -Т. 76, N6. -С. 522-543.
  2. Ильина Т. С. Суперинтегроны бактерий -источники новых генов с адаптивными функциями/Ильина Т. С.//Генетика. -2006. -Т. 42, N 11. -С. 1536-1546.
  3. Калакуцкий Л. В. Обращение с микроорганизмами: правила писаные и неписаные/Калакуцкий Л. В.//Вестник РФФИ. -2005. -N 2. -С. 35-60.
  4. Крылов В. М. Роль горизонтального переноса генов бактериофагами в возникновении патогенных бактерий/Крылов В. М.//Генетика. -2003. -Т. 39, N 5. -C. 595-620.
  5. Миндлин С. З. Происхождение, эволюция и миграция генов лекарственной устойчивости/Миндлин С. З., Петрова М. А., Басс И. А., Горленко Ж. М.//Генетика. -2006. -Т. 42, N 11. -С. 1495-1511.
  6. Прозоров А. А. Горизонтальный перенос генов у бактерий: лабораторное моделирование, природные популяции, данные геномики/Прозоров А. А.//Микробиология. -1999. -Т. 68, N 5. -С. 632-646.
  7. Шестаков С. В. Геномика патогенных бактерий/Шестаков С. В.//Вестник РАМН. -2001. -N 10. -С. 18-25.
  8. Шестаков С. В. О ранних этапах биологической эволюции с позиций геномики/Шестаков С. В.//Палеонтол. журнал. -2003. -N 6. -С. 50-57.
  9. Bapteste E. Phylogenetic reconstruction and lateral gene transfer/Bapteste E., Boucher Y., Leigh J., Doolittle W. F.//Trends Microbiol. -2004. -Vol. 12, N 9. -P. 406-411.
  10. Berg O. Evolution of microbial genomes: sequence acquisition and loss/Berg O., Kurland C. G.//Mol. Biol. Evol. -2002. -Vol. 19. -P. 2265-2276.
  11. Bordenstein S. R. Mobile DNA in obligate intracellular bacteria/Bordenstein S. R., Reznikoff W. S.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 688-699.
  12. Boucher Y. Microbial genomes: dealing with diversity/Boucher Y., Nesbo C. L., Doolittle W. F.//Current Opin. Microbiol. -2001. -Vol. 4 -P. 285-289.
  13. Brown J. R. Ancient horizontal gene transfer/Brown J. R.//Nature Rev. Genet. -2003. -Vol. 4. -P. 121 -132.
  14. Burris V. Conjugative transposons: the tip of the iceberg/Burris V., Pavlovich G., Decaris B., Guedon G.//Mol. Microbiol. -2002. -Vol. 46, N 3. -P. 601-610.
  15. Canchaya C. Phage as agents of lateral gene transfer/Canchaya C., Fomous G., Chibani-Chennoufi S. [et al.]//Current Opin. Microbiol. -2003. -Vol. 6. -P. 417-424.
  16. Chen I. DNA uptake during natural transformation/Chen I., Dubnau D.//Nature Rev. Microbiol. -2004. -Vol. 2. -P. 241-249.
  17. Chiley P. M. Distribution of the ArdA family of antirestrictiongeneonconjugative plasmids/Chiley P.M., Wilkins B. M.//Microbiology. -1995. -Vol. 141. -P. 2157-2164.
  18. Clewell D. B. Enterococcal plasmid transfer: sex pheromones, transfer origins, relaxases, and the Staphylococcus aureus issue/Clewell D. B., Francia M. V., Flannagan S. E., An F. Y.//Plasmid. -2002. -Vol. 48. -P. 2002.
  19. Daubin V. Phylogenetics and cohesion of bacterial genomes/Daubin V., Moran N. A., Ochman H.//Science. -2003. -Vol. 301. -P. 829-832.
  20. Daubin V., Legat E., Perriere G. The source of laterally transferredgenesinbacterialgenomes//GenomeBiol.-2003. -Vol. 4. -P. R57.
  21. Dionisio F. Plasmids spread very fast in heterogeneous bacterial communities/Dionisio F., Matic J., Radman M., Rodrigues O. R.//Genetics. -2002. -Vol. 162. -P. 1525-1532.
  22. Dobrindt U. Genomic islands in pathogenic and environmental microorganisms./Dobrindt U., Hochhut B., Hentschel U., Hacker J.//Nature Rev. Microbiol. -2004. -Vol. 2. -P. 414-424.
  23. Doolittle W. F. Lateral genomics/Doolittle W. F.//Trends Cell Biol. -1999. -N 9. -P. M5-M9.
  24. Feil E. J. Recombination within natural populations of pathogenic bacteria: short-term empirical estimates and long-term phylogenic consequences/Feil E. J., Holmes E. C., Bessen d. E. et al.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2001. -Vol. 98, N 1. -P. 182-187.
  25. Field D. Databases and software for the comparative genomic study of collection of genomes/Field D., Feil E., Wilson G.//Microbiology. -2005. -Vol. 151. -P. 2125-2132.
  26. Frost L. S. Mobile genetic elements: the agents of open source evolution/Frost L. S., Leplae R., Summers A. O., Toussiant A.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 722-732.
  27. Funchain P. Amplification of mutator cells in a population as a result of horizontal transfer/Funchain P., Yeumg A., Stewart J. et al.//J. Bacteriol. -2001. -Vol. 183. -P. 3737-3741.
  28. Gevers D. Re-evaluating prokaryotic species/Gevers D., Cohan F. M., Lawrence J. G. et al.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 733-739.
  29. Gogarten J. P. Prokaryotic evolution in light of gene transfer/Gogarten J. P., Doolitle W. F., Lawrence J. G.//Molec. Biol. Evol. -2002. Vol. 19, N 12. -P. 2226-2338.
  30. Gogarten J. P. Gorizontal gene transfer, genome innovation and evolution/Gogarten J. P., Townsend J. T.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 679-687.
  31. Gophna U. Weighted genome trees: refinements and application/Gophna U., Doolittle W. F., Charlebois R. L.//J. Bacteriol. -2005. -Vol. 187, N 4. -P. 1305-1316.
  32. Eisen J. A. Horizontal gene transfer among microbial genomes: new insights from complete genome analysis/Eisen J. A.//Current Opin. Genet. Dev. -2000. -Vol. 10. -P. 606-611.
  33. Grohmann E. Conjugative plasmid transfer in gram-positive bacteria/Grohmann E., Math G.,Espinosa M.//Microbiol. Biol. Rev. -2003. -Vol. 67. -P. 277-301.
  34. Hacker J. Pathogenecity islands and the evolution of microbes/Hacker J., Kaper J. B.//Annu Rev. Microbiol. -2000 -Vol. 54. -P. 641-679.
  35. Hacker J. Ecological fitness, genomic islands and bacterial pathogenecity/Hacker J., Corniel E.//EMBO Reports. -2001. -Vol. 2, N 5. -P. 376-381.
  36. Hanage W. P. Fuzzy species among recombinogenic bacteria/Hanage W. P., Fraser C., Spratt B. G.//BMC Biology. -2005. -Vol. 3. -P. 1-7.
  37. Holmes J. A. The gene cassette metagenome is a basic resource for bacterial genome evolution/Holmes J. A., Gilling M. R., Nield B. S.//Environ.Microbiol. -2003. -Vol. 5, N 5. -P. 383-394.
  38. Huson D. H. Phylogenetic trees based on gene content./Huson D. H., Steel M.//Bioinformatics. -2004. -Vol. 20. -P. 2044-2049.
  39. Ikeda H. Illigitimate recombination mediated by doublestrand breaks and end-joining in Escherichia coli/Ikeda H., Shiraishi K., Ogata Y.//Advan. Biophys. -2004. -Vol. 38. -P. 3-20.
  40. Jain R. Horizontal gene transfer among genomes: the complexity hypothesis/Jain R., Rivera M. C.,Lake J. A.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. -Vol. 96. -P. 3801-3806.
  41. Jain R. Horizontal gene transfer accelerates genome innovation and evolution/Jain R., Rivera M. C.,Moore J. E., Lake J. A.//Mol. Biol. Evol. -2003. -Vol. 20. -P. 1598-1602.
  42. Jeltsch A. Maintenance of species identity and controlling speciation of bacteria: a new function for restriction/modification systems/Jeltsch A.//Gene. -2003. -Vol. 317. -P. 13-16.
  43. Kobayashi I. Behaviour of restriction-modification systems as selfish mobile elements and their impact on genome evolution/Kobayashi I.//Nucleic Acids Res. -2001. -Vol. 29. -P. 3742-3756.
  44. Koonin E. V. Horizontal gene transfer in prokaryotes. Quantification and classification/Koonin E. V., Makarova K. S., Arvind L.//Annu. Rev. Microbiol. -2001. -Vol. 55. -P. 709-742.
  45. Kunin V. The balance of driving forces during genome evolution in prokaryotes/Kunin V., Ouzounis C. A.//Genome Res. -2003. Vol. 13. -P. 1589-1594.
  46. Kurland C. G. What tangled web: barriers to rampant horizontal gene transfer/Kurland C. G.//BioEssays. -2005. -Vol. 27. -P. 741 -747.
  47. Kurland C. G. Horizontal gene transfer: a critical view/Kurland C. G., Canback B., Berg J. G.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2003. -Vol. 100, N 17. -P. 9658-9662.
  48. Lan R. Intraspecies variation in bacterial genomes: the need for a species genome concept/Lan R., Reeves P. R.//Trends Microbiol. -2000. -Vol. 8. -P. 396-401.
  49. Lawrence J.G. Genetransfer in bacteria: speciation with out species/Lawrence J.G.//Theor. Popul. Biol. -2002.-Vol. 61. -P. 449-460.
  50. Lawrence J. G. Amelioration of bacterial genomes: rates of change and exchange/Lawrence J. G., Ochman H.//J. Mol. Evol. -1997. -Vol. 44. -P. 383-397.
  51. Lindell D. Transfer of photosynthesis genes to and from Prochlorococcus viruses/Lindell D., Sullivan M. B., Johnson Z. I. [et al.]//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2004. -Vol. 101. -P. 11013-11018.
  52. Lorenz M. G. Bacterial gene transfer by natural genetic transformation in the invironment/Lorenz M. G., Wackernagel W.//Microbiol. Rev. -1994. -Vol. 58. -P. 563-602.
  53. Majewski J. Barriers to genetic exchange between bacterialspecies: Streptococcus pneumoniae transformation/Majewski J., Zawadski P., Plickerill P. [et al.]//J. Bacteriol. -2000. -Vol. 182. -P. 1016-1023.
  54. Mann N. H. Phages in marine cyanobacterial picophytoplancton/Mann N. H.//FEMS Microbiol. Rev. -2003. -Vol. 27, N 1. -P. 17-34.
  55. Martin W. Mosaic bacterial chromosome: a challenge en route to a tree of genomes/Martin W.//BioEssays. -1999. -Vol. 21. -P. 99 -104.
  56. Matic I. Horizontal transfer of mismatch repair genes and the variable speed of bacterial evolution/Matic I., Tenaillon O., Lecointre G. [et al.]//In: Horizontal Gene Transfer. -2002. -Academ. Press. P. 147-155.
  57. McAdams H. H. The evolution of genetic regulatory systems in bacteria/McAdams H. H., Srinivasan B. S., Arkin A. P.//Nature Rev. Genet. -2004. -Vol. 5. -P. 169-178.
  58. Meier P. Mechanisms of homology-facilitated illegitimate recombination for foreign DNA acquisition in transformable Pseudomonas stutzeri/Meier P., Wackernagel W.//Mol. Microbiol. -2003.-Vol. 48.-P. 1107-1118.
  59. Moran N. A. Microbial minimalism: genome reduction in bacterial pathogens/Moran N. A.//Cell. -2002. -Vol. 108. -P. 583 -586.
  60. Nakamura Y. Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes/Nakamura Y., Itoh T., Matsuda H., Gojobori T.//Nature Genet. -2004. -Vol. 36, N 7. -P. 760-766.
  61. Ochman H. Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation/Ochman H., Lawrence J. C., Groisman A. E.//nature. -2000. -Vol. 405. -P. 299 -304.
  62. Olendzenski L. Horizontal gene transfer: a new taxonomic principle?/Olendzenski L., Zhaxybayeva O., Gogarten J. P.//Horizontal Gene Transfer. -2002. -Acad. Press. -P. 427-435.
  63. Piel J. Evidence for a symbiosis island involved in horizontal acquisition of pederin biosynthetic capabilities by the bacterial symbiont of Paederus beetles/Piel J., Hofer Y., Hui D.//J. Bacteriol. -2004. -Vol. 186. -P. 1280-1286.
  64. Prudhomme M. Homologous recombination at the border: insertion-deletion and the trapping of foreign DNA in Streptococcus pneumoniae/Prudhomme M., Libante V., Claverys J. P.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2002. -Vol. 99. P. 2100-2105.
  65. Rayssiguer C. The barrier to recombination between Escherichia coli and Salmonella typhimurium is disrupted in mismatch-repair mutants/Rayssiguer C.,Thaler D. C., Radman M.//Nature. -1989. -Vol. 342. -P. 396-401.
  66. Riesenfeld C. S. Metagenomics: genomic analysis of microbial communities/Riesenfeld C. S., Schloss P. D., Handelsman J.//Ann. Rev. Genet. -2004. -Vol. 38. -P. 525-552.
  67. Rowe-Magnus D. A. Integrons: natural tools for bacterial genome evolution/Rowe-Magnus D. A., Mazel D.//Current Opin. Microbiol. -2001. -Vol. 4. -P. 565-569.
  68. Schmidt H. Pathogenicity islands in bacterial pathogenesis/Schmidt H., Hensel M.//Clin. Microbiol. Rev. -2004. -Vol. 17. -P. 14-56.
  69. Schneider D. Dynamics of insertion sequence elements during experimental evolution of bacteria/Schneider D., Lenski R. E.//Research Microbiol. -2004. -Vol. 155. -P. 319-327.
  70. Sorensen S. J. Studyingplasmid horizontal transfer in situ: a critical review/Sorensen S. J., Bailey M., Hansen L. [et al.]//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 5. -P. 700-710.
  71. Thomas C. M. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria/Thomas C. M., Nielsen K. M.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 711-721.
  72. Top E. M. The role of mobile genetic elements in bacterial adaptation to xenobiotic organic compounds/Top E. M., Springael D.//Current Opin. Biotech. -2003. -Vol. 14. -P. 262-269.
  73. Townsend J. P. Horizontal acquisition of divergent chromosomal DNA in bacteria: effects of mutator phenotypes/Townsend J. P., Nielsen K. M., Fisher D. S. [et al.]//Genetics. -2003. -Vol. 164. -P. 13-21.
  74. Velkov V. V. How environmental factors regulate mutagenesis and gene transfer in microorganisms/Velkov V. V.//J. Biosci. -1999. -Vol. 24. -P 529-559.
  75. Vulic M. Molecular keys to speciation: DNA polymorphism and control of exchange to enterobacteria/Vulic M., Dionisio F., Tazddei F., Radman M.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -1997. -Vol. 94. -P. 9763-9769.
  76. Wilson G. A. Orphans as taxonomically restricted and ecologically important genes/Wilson G. A., Bertrand N., Patel Y.//Microbiology. -2005. -Vol. 151. -P. 2499-2501.
  77. Woese C. R. Interpreting the universal phylogenic tree/Woese C. R.//Proc. Natl. Acad. Sci. US. -2000. -Vol. 97. -P. 8392-8396.
  78. Zhaxybayeva O. Genome mosaicism and organismal lineages/Zhaxybayeva O., Lapierre P., Gogarten J. P.//Trends Genet. -2004. -Vol. 20, N 5. -P. 254-260.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Шестаков С.В., 2007

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».