העברת גנים אופקית או העברת גנים רוחבית היא החלפת החומר הגנטי בין אורגניזמים, אשר אינה מתרחשת משפחות. אירוע זה מתרחש בין אנשים מאותו דור ויכול להתרחש ביצורים חד-תאיים או רב-תאיים.
העברה אופקית מתרחשת באמצעות שלושה מנגנונים עיקריים: צירוף, טרנספורמציה והתמרה. בסוג הראשון אפשר להחליף שברי DNA ארוכים ואילו בשניים האחרונים ההעברה מוגבלת לקטעים קטנים של החומר הגנטי.
חיידק. THG נפוץ באורגניזמים אלה. מקור pixabay.com
התפיסה ההפוכה היא העברת גנים אנכיים, שם מידע גנטי עובר מאורגניזם לצאצאיו. תהליך זה נפוץ באיקריוטות, כמו צמחים ובעלי חיים. לעומת זאת, העברה אופקית שכיחה במיקרואורגניזמים.
באוקריוטות, העברה אופקית אינה שכיחה. עם זאת, יש עדויות לחילופי תופעה זו, כולל אבותיהם של בני אדם, שהשיגו גנים מסוימים באמצעות וירוסים.
מהו העברת גן אופקי?
במהלך ההתרבות אורגניזמים אוקריוטים מעבירים את הגנים שלהם מדור אחד לצאצאיהם (ילדים) בתהליך המכונה העברת גן אנכי. פרוקריוטים מבצעים גם שלב זה, אך באמצעות רבייה א-מינית באמצעות ביקוע או מנגנונים אחרים.
עם זאת, בפרוקריוטים יש דרך נוספת להחליף חומר גנטי הנקרא העברת גן אופקי. כאן, שברי ה- DNA מוחלפים בין אורגניזמים מאותו דור ויכולים לעבור מזן אחד למשנהו.
העברה אופקית שכיחה יחסית בקרב חיידקים. קחו דוגמה לגנים הגורמים עמידות לאנטיביוטיקה. שברי DNA חשובים אלה מועברים בדרך כלל בין חיידקים ממינים שונים.
מנגנונים אלה כוללים סיבוכים רפואיים משמעותיים בעת הטיפול בזיהומים.
מנגנונים
ישנם שלושה מנגנונים בסיסיים באמצעותם ניתן להחליף DNA באמצעות העברה אופקית. אלה הצטרפות, טרנספורמציה והתמרה.
נְטִיָה
העברת גנים באמצעות צירוף היא הסוג היחיד הכרוך במגע ישיר בין שני החיידקים.
עם זאת, אין להשוות אותו להחלפת גנים באמצעות רבייה מינית (כאשר בדרך כלל יש מגע בין האורגניזמים המעורבים), מכיוון שהתהליך שונה מאוד. בין ההבדלים העיקריים הוא היעדר מיוזה.
במהלך ההתייחדות, מעבר של חומר גנטי מחיידק אחד למשנהו מתרחש באמצעות מגע פיזי שהוקם על ידי מבנה הנקרא פילי. זה עובד כגשר מקשר, שם מתרחש החילוף.
למרות שהחיידקים אינם מתבדלים למינים, האורגניזם הנושא DNA מעגלי קטן המכונה גורם F (פוריות f) מכונה "זכר". תאים אלה הם התורמים במהלך ההתייחדות, ומעבירים את החומר לתא אחר חסר הגורם.
ה- DNA של גורם F מורכב מכ- 40 גנים, השולטים על שכפול הגורם המיני וסינתזת הפייליי המיני.
העדויות הראשונות לתהליך ההתייחדות נבעו מניסויי לדרברג וטייטום, אך ברנרד דייוויס הוא זה שהראה לבסוף כי קשר הכרחי לצורך העברה.
טרנספורמציה
התמורה כוללת נטילת מולקולת DNA עירומה הנמצאת בסביבה קרוב לחיידק מארח. פיסת DNA זו באה מחיידק אחר.
התהליך יכול להתבצע באופן טבעי, מכיוון שאוכלוסיות חיידקים עוברות בדרך כלל טרנספורמציה. באופן דומה, ניתן לבצע הדמיה של המרה במעבדה בכדי להכריח חיידקים לקחת DNA המעניין שנמצא בחוץ.
תיאורטית, ניתן לקחת כל פיסת DNA. עם זאת, נצפה כי התהליך כרוך במולקולות קטנות.
הולכה
לבסוף, מנגנון ההולכה מתרחש באמצעות פאג '(נגיף) הנושא DNA מ- חיידק תורם לנמען. כמו במקרה הקודם, כמות ה- DNA המועבר קטנה יחסית, מכיוון שיכולתו של הנגיף לשאת DNA מוגבלת.
בדרך כלל, מנגנון זה מוגבל לחיידקים קרובים פילוגנטית, מכיוון שהנגיף הנושא את ה- DNA חייב להיקשר לקולטנים ספציפיים על החיידק על מנת להזריק את החומר.
דוגמאות
אנדונוקליזות הם אנזימים שיש להם את היכולת לשבור קשרי פוספודיאסטר בתוך שרשרת פולינוקלאוטידית, מבפנים - זו הסיבה שהם מכונים "אנדו". אנזימים אלה אינם חותכים בשום מקום, יש להם אתרים ספציפיים לעשות זאת, המכונים אתרי הגבלה.
רצפי חומצות האמינו לאנזימים EcoRI (ב- E. coli) ו- RSRI (ב- Rhodobacter sphaeroides) הם בעלי רצף של כמעט 300 שאריות חומצות אמיניות, אשר זהות 50% זה לזה, מה שמצביע בבירור על קרבה אבולוציונית קרובה.
עם זאת, בזכות המחקר על מאפיינים מולקולריים וביוכימיים אחרים, שני החיידקים הללו שונים מאוד וקשורים מעט מאוד מבחינה פילוגנטית.
בנוסף, הגן המקודד לאנזים EcoRI משתמש בקודונים ספציפיים מאוד השונים מאלו המשמשים בדרך כלל על ידי E. coli, כך שעל פי החשד הגן לא מקורו בחיידק זה.
העברת גנים אופקית באבולוציה
בשנת 1859, חוקר הטבע הבריטי צ'ארלס דארווין עשה מהפכה במדעים הביולוגיים בעזרת תורת האבולוציה שלו באמצעות הברירה הטבעית. בספרו האיקוני, מוצא המינים, מציע דרווין את המטפורה של עץ החיים כדי להמחיש את מערכות היחסים הגנאלוגיות בין המינים.
כיום הפילוגניות מהוות ייצוג רשמי של מטאפורה זו, שם מניחים שהעברת מידע גנטי מתרחשת אנכית - מהורים לילדים.
אנו יכולים ליישם חזון זה ללא אי-נוחות משמעותית על אורגניזמים רב-תאיים ונקבל דפוס מסועף, כפי שמציע דארווין.
עם זאת, קשה ליישם ייצוג זה של ענפים ללא פיוז'ן על מיקרואורגניזמים. כשמשווים בין הגנום של פרוקריוטים שונים, ברור שיש העברת גנים נרחבת בין שושלות.
לפיכך, דפוס היחסים דומה יותר לרשת, עם ענפים המחוברים ומתמזגים זה בזה, בזכות השכיחות של העברת גנים אופקיים.
הפניות
- Gogarten, JP, & Townsend, JP (2005). העברת גנים אופקית, חידוש גנום ואבולוציה. חוות דעת על טבע מיקרוביולוגיה, 3 (9), 679.
- Keeling, PJ, & Palmer, JD (2008). העברת גנים אופקית בהתפתחות אוקריוטית. חוות דעת על טבע גנטיקה, 9 (8), 605.
- פירס, BA (2009). גנטיקה: גישה רעיונית. פנמריקנית רפואית אד.
- ראסל, פ., הרץ, פ., ומקמילן, ב. (2013). ביולוגיה: המדע הדינמי. נלסון חינוך.
- Sumbali, G., and Mehrotra, RS (2009). עקרונות המיקרוביולוגיה. מקגרו-היל.
- Syvanen, M., & Kado, CI (2001). העברת גנים אופקית. עיתונות אקדמית.
- טורטורה, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). מבוא למיקרוביולוגיה. פנמריקנית רפואית אד.