عامل نقل الجينات

عوامل نقل الجينات ( GTAs ) هي جزيئات شبيهة بالفيروسات تحتوي على الحمض النووي والتي تنتجها بعض البكتيريا والعتائق وتتوسط نقل الجينات الأفقي . نشأت أنواع مختلفة من عوامل نقل الجينات بشكل مستقل عن الفيروسات في العديد من سلالات البكتيريا والعتائق. تنتج هذه الخلايا جزيئات عوامل نقل الجينات التي تحتوي على أجزاء قصيرة من الحمض النووي الموجودة في الخلية. بعد إطلاق الجزيئات من الخلية المنتجة، يمكنها الارتباط بالخلايا ذات الصلة وحقن الحمض النووي الخاص بها في السيتوبلازم. يمكن أن يصبح الحمض النووي بعد ذلك جزءًا من جينوم الخلايا المستقبلة. ^{[1] [2] [3] [4]}

تم تصنيف GTAs على أنها فيروسية في تصنيف ICTV . من بين GTAs المذكورة في المقالة، RcGTA و DsGTA موجودان الآن في عائلة Rhodogtaviriformidae ، و BaGTA في Bartogtaviriformidae ، و VSH-1 في Brachygtaviriformidae . ^[5] لا يوجد تصنيف لـ Dd1 و VTA حتى الآن.

تم اكتشاف أول نظام GTA في عام 1974، عندما أنتجت الثقافات المختلطة لسلالات Rhodobacter capsulatus عددًا كبيرًا من الخلايا بمجموعات جديدة من الجينات. ^[6] كان العامل المسؤول متميزًا عن آليات نقل الجينات المعروفة في كونه مستقلاً عن اتصال الخلايا، وغير حساس للديوكسي ريبونوكلياز، وغير مرتبط بإنتاج البكتيريا العاثية. نظرًا لوظيفته المفترضة، فقد تم تسميته بعامل نقل الجينات (GTA، الآن RcGTA). في الآونة الأخيرة، تم اكتشاف أنظمة أخرى لعامل نقل الجينات عن طريق حضانة وسط زراعة مفلتر (خالي من الخلايا) مع سلالة مميزة وراثيًا. ^[3]

إن الجينات التي تحدد عوامل نقل الجينات المعيبة مشتقة من الحمض النووي للبكتيريا العاثية (الفاج) الذي اندمج في كروموسوم المضيف. وكثيراً ما تكتسب مثل هذه البكتيريا العاثية طفرات تجعلها معيبة وغير قادرة على إنتاج جزيئات البكتيريا العاثية. وتحتوي العديد من الجينومات البكتيرية على واحدة أو أكثر من البكتيريا العاثية المعيبة التي خضعت لطفرة وحذف على نطاق أوسع أو أقل. وتنشأ عوامل نقل الجينات، مثل البكتيريا العاثية المعيبة، عن طريق طفرة البكتيريا العاثية، ولكنها تحتفظ بالجينات الوظيفية لمكونات الرأس والذيل لجسيم البكتيريا العاثية (الجينات البنيوية) والجينات الخاصة بتغليف الحمض النووي. وعادة ما يتم حذف جينات البكتيريا العاثية التي تحدد تنظيمها وتضاعف الحمض النووي، ويخضع التعبير عن مجموعة الجينات البنيوية لسيطرة أنظمة تنظيم الخلايا. وعادة ما توجد جينات إضافية تساهم في إنتاج أو امتصاص البكتيريا العاثية في مواقع أخرى من الكروموسوم. بعض هذه الجينات لها وظائف تنظيمية، والبعض الآخر يساهم بشكل مباشر في إنتاج GTA ( على سبيل المثال جينات التحلل المشتقة من البكتيريا العاثية) أو الامتصاص وإعادة التركيب ( على سبيل المثال إنتاج كبسولة سطح الخلية وبروتينات نقل الحمض النووي). غالبًا ما تكون هذه الجينات المرتبطة بـ GTA تحت تنظيم منسق مع مجموعة جينات GTA الرئيسية. ^[7]   ثم تضعف بروتينات التحلل الخلوي المشتقة من البكتيريا العاثية (الهولين والإندوليزين) جدار الخلية والغشاء، مما يسمح للخلية بالانفجار وإطلاق جزيئات GTA. عدد جزيئات GTA التي تنتجها كل خلية غير معروف.

يبدو أن بعض أنظمة GTA هي إضافات حديثة إلى جينومات المضيف، ولكن البعض الآخر ظل قائمًا لملايين السنين. حيث أجريت دراسات حول تباعد التسلسل (تحليل dN/dS)، فقد أشارت إلى أن الجينات يتم الحفاظ عليها من خلال الانتقاء الطبيعي لوظيفة البروتين (أي يتم القضاء على الإصدارات المعيبة). ^{[8] [9]}

ومع ذلك، فإن طبيعة هذا الاختيار ليست واضحة. وعلى الرغم من أن مكتشفي GTA افترضوا أن نقل الجينات كان وظيفة الجسيمات، فإن الفوائد المفترضة لنقل الجينات تأتي بتكلفة كبيرة للسكان. تنشأ معظم هذه التكلفة لأن الخلايا المنتجة لـ GTA يجب أن تنحل (تنفجر) لإطلاق جزيئات GTA الخاصة بها، ولكن هناك أيضًا تكاليف وراثية مرتبطة بصنع مجموعات جديدة من الجينات لأن معظم المجموعات الجديدة ستكون عادةً أقل ملاءمة من المجموعة الأصلية. ^[10]   أحد التفسيرات البديلة هو أن جينات GTA تستمر لأن GTAs هي طفيليات وراثية تنتشر بشكل معدٍ إلى خلايا جديدة. ومع ذلك، يتم استبعاد هذا لأن جزيئات GTA عادة ما تكون صغيرة جدًا بحيث لا تحتوي على الجينات التي تشفرها. على سبيل المثال، يبلغ طول مجموعة RcGTA الرئيسية (انظر أدناه) 14 كيلو بايت، لكن جزيئات RcGTA يمكن أن تحتوي فقط على 4-5 كيلو بايت من الحمض النووي.   

لم يتم فحص معظم البكتيريا بحثًا عن وجود GTAs، وقد تنتظر العديد من أنظمة GTA اكتشافها. على الرغم من أن المسوحات القائمة على الحمض النووي للجينات المرتبطة بـ GTA وجدت نظائر في العديد من الجينومات، إلا أن التفسير يعوقه صعوبة التمييز بين الجينات التي تشفر GTAs وجينات البروفاج العادية. ^{[8]  [9]}

في المزارع المعملية، يتم عادةً تعظيم إنتاج GTAs من خلال ظروف نمو معينة تحفز نسخ جينات GTA؛ لا يتم تحفيز معظم GTAs من خلال المعالجات الضارة بالحمض النووي التي تحفز العديد من البكتيريا العصوية. حتى في ظل الظروف المحفزة القصوى، لا ينتج سوى جزء صغير من المزرعة GTAs، وعادةً ما يكون أقل من 1%. ^{[11] [12]}

الخطوات في إنتاج GTA مستمدة من خطوات عدوى البكتيريا العصوية. يتم نسخ الجينات البنيوية وترجمتها أولاً، وتجميع البروتينات في رؤوس فارغة وذيول غير متصلة. ثم تقوم آلية تعبئة الحمض النووي بتعبئة الحمض النووي في كل رأس، وقطع الحمض النووي عندما يمتلئ الرأس، وربط ذيل بالرأس، ثم نقل نهاية الحمض النووي التي تم إنشاؤها حديثًا إلى رأس فارغ جديد. على عكس جينات البكتيريا العصوية، لا يتم استئصال الجينات التي تشفر GTAs من الجينوم وتكرارها للتعبئة في جزيئات GTA. تقوم أفضل جزيئات GTAs المدروسة (RcGTA وBaGTA) بتعبئة كل الحمض النووي في الخلية بشكل عشوائي، دون زيادة تمثيل الجينات التي تشفر GTA. ^{[11] [13]} عدد جزيئات GTA التي تنتجها كل خلية غير معروف.

يعتمد ما إذا كان إطلاق جزيئات GTA يؤدي إلى نقل الحمض النووي إلى جينومات جديدة على عدة عوامل. أولاً، يجب أن تبقى الجزيئات على قيد الحياة في البيئة - لا يُعرف سوى القليل عن هذا، على الرغم من أن الجسيمات غير مستقرة تمامًا في ظل الظروف المعملية. ^[14] ثانيًا، يجب أن تصادف الجسيمات خلايا مستقبلة مناسبة وتلتصق بها، وعادةً ما تكون أعضاء من نفس النوع أو نوع وثيق الصلة. مثل العاثيات، ترتبط جزيئات GTA بهياكل بروتينية أو كربوهيدراتية محددة على سطح الخلية المستقبلة قبل حقن حمضها النووي. على عكس العاثيات، يبدو أن جزيئات GTA المدروسة جيدًا تحقن حمضها النووي فقط عبر الغشاء الأول من الغشاءين المحيطين بالسيتوبلازم المستقبل، وتستخدم نظامًا مختلفًا، مشتقًا من الكفاءة وليس مشتقًا من العاثيات، لنقل خيط واحد من الحمض النووي ذي السلسلتين عبر الغشاء الداخلي إلى السيتوبلازم. ^{[15] [16]}

إذا وجدت آلية إصلاح إعادة التركيب في الخلية تسلسلًا كروموسوميًا مشابهًا جدًا للحمض النووي الوارد، فإنها تحل محل الأول بالأخير عن طريق إعادة التركيب المتماثل، بوساطة بروتين RecA في الخلية . إذا لم تكن التسلسلات متطابقة، فسيؤدي هذا إلى إنتاج خلية بتركيبة جينية جديدة. ومع ذلك، إذا لم يكن الحمض النووي الوارد وثيق الصلة بتسلسلات الحمض النووي في الخلية، فسوف يتحلل، وستعيد الخلية استخدام نيوكليوتيداتها لتكرار الحمض النووي.

إن GTA التي تنتجها بكتيريا ألفا بروتيوباكتريوم رودوباكتر كابسولاتوس ، والتي تسمى R. capsulatus GTA (RcGTA)، هي حاليًا أفضل GTA مدروسة. عندما تدخل مزارع R. capsulatus المعملية مرحلة الثبات، تحفز مجموعة فرعية من البكتيريا إنتاج RcGTA، ويتم إطلاق الجسيمات لاحقًا من الخلايا من خلال تحلل الخلايا . ^[12] يتم ترميز معظم الجينات البنيوية لـ RcGTA في مجموعة جينية تبلغ حوالي 15 كيلو قاعدة على الكروموسوم البكتيري. ومع ذلك، فإن الجينات الأخرى المطلوبة لوظيفة RcGTA، مثل الجينات المطلوبة لتحلل الخلايا، توجد بشكل منفصل. ^{[2] [17]} تحتوي جزيئات RcGTA على شظايا DNA بحجم 4.5 كيلو قاعدة، مع تمثيل متساوي للكروموسوم بأكمله باستثناء انخفاض بمقدار ضعفين في موقع مجموعة جينات RcGTA. 

تمت دراسة تنظيم إنتاج GTA ونقله بشكل أفضل في R. capsulatus ، حيث يتحكم نظام استشعار النصاب وCtrA-phosphorelay في التعبير ليس فقط عن مجموعة جينات RcGTA الرئيسية، ولكن أيضًا عن نظام انحلال الخلايا الهولين/الإندوليسين، وأشواك رأس الجسيمات، وبروتين التعلق (ربما ألياف الذيل)، وجينات معالجة الكبسولة والحمض النووي اللازمة لوظيفة مستقبل RcGTA. كما تحد عملية عشوائية غير محددة من التعبير عن مجموعة الجينات إلى 0.1-3% فقط من الخلايا.  

توجد مجموعات شبيهة بـ RcGTA في فرع كبير من البكتيريا البروتينية ألفا، على الرغم من أن الجينات تبدو أيضًا مفقودة بشكل متكرر بسبب الحذف. مؤخرًا، تم إثبات أن العديد من أعضاء رتبة Rhodobacterales تنتج جزيئات وظيفية شبيهة بـ RcGTA. توجد مجموعات من الجينات ذات التشابه مع RcGTA في كروموسومات أنواع مختلفة من البكتيريا البروتينية ألفا. ^[8]

D. shibae ، مثل R. capsulatus ، هو عضو في رتبة Rhodobacterales، ويشترك GTA الخاص به في سلف مشترك والعديد من الميزات مع RcGTA، بما في ذلك تنظيم الجينات، وتغليف شظايا الحمض النووي القصيرة (4.2 كيلو بايت) والتنظيم من خلال استشعار النصاب وناقل فسفوريل CtrA. ^[18]   ومع ذلك، فإن آلية تغليف الحمض النووي الخاصة به تتمتع بمزيد من الخصوصية، مع وجود قمم حادة ووديان تغطية تشير إلى أنها قد تبدأ بشكل تفضيلي في التغليف في مواقع محددة في الجينوم. يتم تغليف الحمض النووي لمجموعة جينات DsGTA الرئيسية بشكل سيئ للغاية.   

أنواع Bartonella هي أعضاء في Alphaproteobacteria مثل R. capsulatus و D. shibae ، لكن BaGTA ليست مرتبطة بـ RcGTA و DsGTA. ^[19]  جزيئات BaGTA أكبر من RcGTA وتحتوي على شظايا DNA بطول 14 كيلو بايت. على الرغم من أن هذه القدرة قد تسمح مبدئيًا لـ BaGTA بتعبئة ونقل مجموعة GTA بطول 14 كيلو بايت، إلا أن قياسات تغطية الحمض النووي تظهر تغطية منخفضة للمجموعة. يُعتقد أن المنطقة المجاورة ذات التغطية العالية ترجع إلى تكرار الحمض النووي المحلي. ^[13]

Brachyspira هو جنس من البكتيريا الحلزونية؛ وقد ثبت أن العديد من الأنواع تحمل مجموعات متجانسة من جينات GTA. تحتوي الجسيمات على 7.5 كيلو بايت من شظايا الحمض النووي. يتم تحفيز إنتاج VSH-1 بواسطة عامل تلف الحمض النووي ميتوميسين سي وبعض المضادات الحيوية. كما يرتبط أيضًا بتحلل الخلايا القابل للكشف، مما يشير إلى أن جزءًا كبيرًا من الثقافة قد ينتج VSH-1. ^[20]

D. desulfuricans هي بكتيريا تربة في بكتيريا دلتا بروتيوباكتريا؛ تحتوي Dd1 على 13.6 كيلو بايت من شظايا الحمض النووي. من غير الواضح أي الجينات تشفر هذا GTA: هناك منطقة واحدة بحجم 17.8 كيلو بايت تحتوي على جينات بنيوية شبيهة بالبكتيريا العاثية في الجينوم البكتيري، لكن ارتباطها بإنتاج GTA لم يتم إثباته تجريبيًا بعد. ^[21]

M. voltae هو كائن قديم؛ ومن المعروف أن GTA الخاص به ينقل 4.4 كيلو بايت من شظايا الحمض النووي ولكن لم يتم تحديده بطريقة أخرى، ^[22] على الرغم من اقتراح وجود فيروس معيب مرتبط بفيروسات Methanococcus head-tailed ( Caudoviricetes ) في جينوم M. voltae A3 لتمثيل موضع GTA. ^{[23] تم التعرف مرة أخرى على} terl terminase ( D7DSG2 ) المحتمل في عام 2019. ^[24]

• عائلة هولين التي تطلق عامل نقل الجينات
• نقل الجينات الأفقي