معلومة

7.11 ب: التحول البكتيري - علم الأحياء

7.11 ب: التحول البكتيري - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

التحول هو الامتصاص المباشر والدمج والتعبير عن المواد الجينية الخارجية من محيطها.

أهداف التعلم

التفريق بين التحول الطبيعي والاصطناعي

النقاط الرئيسية

  • ينتج عن التحول التغيير الجيني للخلية المتلقية.
  • يؤخذ الحمض النووي الخارجي إلى الخلية المتلقية من محيطها عبر غشاء (أغشية) الخلية.
  • يحدث التحول بشكل طبيعي في بعض أنواع البكتيريا ، ولكن يمكن أيضًا أن يتأثر بوسائل اصطناعية في خلايا أخرى.

الشروط الاساسية

  • حقيقيات النوى: وجود خلايا معقدة يتم فيها تنظيم المادة الوراثية في نوى مرتبطة بالغشاء.
  • تحويل: في البيولوجيا الجزيئية التحول هو تغيير جيني للخلية ناتج عن الامتصاص المباشر للمادة الوراثية الخارجية (الدنا الخارجي) ودمجها والتعبير عنها من محيطها ومن خلال غشاء (أغشية) الخلية.
  • التعبير: التعبير الجيني هو العملية التي يتم من خلالها استخدام المعلومات من الجين في تخليق منتج جيني وظيفي.
  • خارجي: منتج أو منشأ خارج كائن حي.
  • ترجمة: إنزيم يساعد في تحريك جزيء آخر ، عادة عبر الغشاء.

التعديل الجيني

في علم الأحياء الجزيئي ، التحول هو تغيير جيني للخلية ناتج عن الامتصاص المباشر ، والدمج والتعبير عن المادة الوراثية الخارجية (الحمض النووي الخارجي) من محيطها والتقاطها من خلال غشاء (أغشية) الخلية.

تحويل: توضيح للتحول البكتيري. يتم قطع الحمض النووي من الخلايا الميتة إلى أجزاء ويخرج من الخلية. يمكن بعد ذلك التقاط الحمض النووي العائم بواسطة الخلايا المختصة. يتم دمج الحمض النووي الخارجي في كروموسوم الخلية المضيفة عن طريق إعادة التركيب.

التحولات الطبيعية

يحدث التحول بشكل طبيعي في بعض أنواع البكتيريا ، ولكن يمكن أيضًا أن يتأثر بوسائل اصطناعية في خلايا أخرى. لكي يحدث التحول ، يجب أن تكون البكتيريا في حالة كفاءة ، والتي قد تحدث كاستجابة محدودة زمنيا للظروف البيئية مثل الجوع وكثافة الخلايا. التحول هو واحد من ثلاث عمليات يمكن بواسطتها إدخال مادة وراثية خارجية في خلية بكتيرية ؛ والاثنان الآخران هما الاقتران (نقل المادة الوراثية بين خليتين بكتيريتين على اتصال مباشر) ، والتنقل (حقن الحمض النووي الغريب بواسطة فيروس العاثيات في البكتيريا المضيفة).

تحويل"يمكن استخدامها أيضًا لوصف إدخال مادة وراثية جديدة في الخلايا غير البكتيرية ، بما في ذلك الخلايا الحيوانية والنباتية ؛ ومع ذلك ، نظرًا لأن "التحول" له معنى خاص فيما يتعلق بالخلايا الحيوانية ، مما يشير إلى التقدم إلى حالة سرطانية ، يجب تجنب المصطلح للخلايا الحيوانية عند وصف إدخال مادة وراثية خارجية. غالبًا ما يُطلق على إدخال الحمض النووي الغريب في الخلايا حقيقية النواة "تعداء“.

يمكن الإشارة إلى التحول البكتيري على أنه تغيير جيني مستقر ناتج عن امتصاص الحمض النووي العاري (DNA بدون خلايا أو بروتينات مرتبطة). تشير الكفاءة إلى حالة القدرة على تناول الحمض النووي الخارجي من البيئة. هناك نوعان من الكفاءة: طبيعي ومصطنع.

حوالي 1 ٪ من الأنواع البكتيرية قادرة على امتصاص الحمض النووي بشكل طبيعي في ظل ظروف المختبر ؛ قد يتمكن المزيد من تناوله في بيئاتهم الطبيعية. يمكن نقل مادة الحمض النووي بين سلالات مختلفة من البكتيريا في عملية تسمى نقل الجينات الأفقي.

بعض الأنواع ، عند موت الخلايا ، تطلق حمضها النووي لتتناوله خلايا أخرى ؛ ومع ذلك ، فإن التحول يعمل بشكل أفضل مع الحمض النووي من الأنواع وثيقة الصلة. تحمل هذه البكتيريا ذات الكفاءة الطبيعية مجموعات من الجينات التي توفر آلية البروتين لنقل الحمض النووي عبر غشاء (أغشية) الخلية. قد يتطلب نقل الحمض النووي الخارجي إلى الخلايا بروتينات تشارك في تجميع النوع الرابع من الحبيبات ونظام إفراز النوع الثاني ، بالإضافة إلى مجمع ترانسيلوكاز الحمض النووي في الغشاء السيتوبلازمي.

الفروق الإيجابية للجرام والسلبية غرام

بسبب الاختلافات في بنية غلاف الخلية بين البكتيريا موجبة الجرام والبكتيريا سالبة الجرام ، هناك بعض الاختلافات في آليات امتصاص الحمض النووي في هذه الخلايا. ومع ذلك ، فإن معظمهم يشتركون في ميزات مشتركة تشمل البروتينات ذات الصلة. يرتبط الحمض النووي أولاً بسطح الخلايا المختصة على مستقبلات الحمض النووي ، ويمر عبر الغشاء السيتوبلازمي عبر ترانسبوكاز الحمض النووي. قد يمر عبر الحمض النووي أحادي الجديلة فقط ، وبالتالي يتحلل خيط واحد بواسطة نوكليازات في العملية ، ويمكن بعد ذلك دمج الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل في الكروموسومات البكتيرية عن طريق عملية تعتمد على RecA.

في الخلايا سالبة الجرام ، نظرًا لوجود غشاء إضافي ، يتطلب الحمض النووي وجود قناة مكونة من سيكريتينات على الغشاء الخارجي. قد تكون Pilin مطلوبة للكفاءة ، ومع ذلك ، فإن دورها غير مؤكد. عادةً ما يكون امتصاص الحمض النووي غير محدد التسلسل ، على الرغم من أن وجود تسلسلات معينة لامتصاص الحمض النووي في بعض الأنواع قد يسهل امتصاص الحمض النووي بكفاءة.

النقل الاصطناعي

يمكن تحفيز الكفاءة الاصطناعية في الإجراءات المختبرية التي تتضمن جعل الخلية منفذة بشكل سلبي للحمض النووي ، من خلال تعريضها لظروف لا تحدث عادة في الطبيعة. عادة ، يتم تحضين الخلايا في محلول يحتوي على كاتيونات ثنائية التكافؤ ؛ الأكثر شيوعًا ، محلول كلوريد الكالسيوم تحت ظروف باردة ، والذي يتعرض بعد ذلك لنبض صدمة حرارية. ومع ذلك ، فإن آلية امتصاص الحمض النووي عبر الكفاءة المستحثة كيميائياً في طريقة تحويل كلوريد الكالسيوم هذه غير واضحة.

سطح البكتيريا مثل الإشريكية القولونية مشحون سلبًا بسبب الفسفوليبيدات وعديدات السكاريد الدهنية على سطح الخلية ، كما أن الحمض النووي مشحون سالبًا. وبالتالي ، فإن إحدى وظائف الكاتيون ثنائي التكافؤ هي حماية الشحنات عن طريق تنسيق مجموعات الفوسفات والشحنات السالبة الأخرى ، وبالتالي السماح لجزيء الحمض النووي بالالتصاق بسطح الخلية. يُقترح أن تعريض الخلايا للكاتيونات ثنائية التكافؤ في حالة البرد قد يؤدي أيضًا إلى تغيير أو إضعاف بنية سطح الخلية للخلايا مما يجعلها أكثر نفاذية للحمض النووي. يُعتقد أن النبضات الحرارية تخلق عدم توازن حراري على جانبي غشاء الخلية ، مما يجبر الحمض النووي على دخول الخلايا من خلال مسام الخلية أو جدار الخلية التالف.

Electroporation هي طريقة أخرى لتعزيز الكفاءة. باستخدام هذه الطريقة ، يتم صدم الخلايا لفترة وجيزة بمجال كهربائي من 10-20 كيلو فولت / سم والذي يُعتقد أنه يخلق ثقوبًا في غشاء الخلية الذي قد يدخل من خلاله DNA البلازميد. بعد الصدمة الكهربائية ، يتم إغلاق الثقوب بسرعة بواسطة آليات إصلاح الغشاء في الخلية.

O. T. أفيري وآخرون. كانوا أول من أظهر أن المستعمرات "الخشنة" من العقدية الرئوية يمكن أن تتحول إلى مستعمرات "ناعمة" (منتجة للكبسولات) عن طريق إضافة مستخلصات الدنا من الأولى إلى الثانية ، وبالتالي "تحويلها". (انظر Lederberg أدناه)

  1. ليدربيرج ، جوشوا (1994). تحول علم الوراثة بواسطة الحمض النووي: احتفال الذكرى السنوية لـ AVERY و MACLEOD و MCCARTY (1944) في التعليقات القصصية والتاريخية والنقدية على علم الوراثة. جامعة روكفيلر ، نيويورك ، نيويورك 10021-6399. بميد 8150273.

1) باستخدام ماصة معقمة ضع 250 م لتر من كلوريد الكالسيوم المثلج في أنبوب الطرد المركزي الدقيق.

(كلوريد الكالسيوم ضروري للحث بكتريا قولونية لتصبح مؤهلاً.)

2) باستخدام تقنية التعقيم ، نقل حلقة من بكتريا قولونية من أنبوب الثقافة إلى أنبوب كلوريد الكالسيوم. (احرص على عدم نقل أي أجار. قد تضطر إلى تدوير الحلقة في المحلول لطرد البكتيريا.)

3) باستخدام ماصة microcapillary ، أضف 10 م لتر من pBestLuc البلازميد إلى الأنبوب الخاص بك. (أنت تضيف البلازميدات إلى الحل الآن!)

4) أغلق أنبوب الطرد المركزي الدقيق.

5) اضغط برفق على جانب الأنبوب بإصبعك لخلط البلازميد في المحلول.

6) احضن الأنبوب على الثلج لمدة 15 دقيقة.

7) احصل على لوحة أجار لوريا التي تحتوي على الأمبيسلين. باستخدام الملقط ، ضع بعناية غشاء النيتروسليلوز على سطح أجار. (ارفع غطاء طبق بتري بما يكفي فقط لوضع الغشاء على الأجار واستبدال الغطاء بمجرد الانتهاء من أجل تقليل فرصة التلوث.) (*** غشاء النيتروسليلوز هش جدًا - لذا تعامل معه برفق ***)

8) ضع أنبوب الطرد المركزي الدقيق مع الخلايا البكتيرية في حمام مائي 42 درجة مئوية لمدة 75-90 ثانية. (هذه "صدمات الحرارة" بكتريا قولونية زيادة احتمالية تناولهم للبلازميد.)

9) أخرج الأنبوب من الماء وضعه على الثلج لمدة دقيقتين.

10) باستخدام ماصة معقمة ، أضف 250 م من مرق لوريا إلى الأنبوب الخاص بك.

11) أغلق الأنبوب واضغط برفق للمزج.

12) باستخدام ماصة معقمة ، انقل 200 م من البكتيريا المحولة إلى لوحة أجار باستخدام غشاء النيتروسليلوز. هز اللوح برفق للتأكد من أن المحلول يغطي سطح الغشاء تمامًا.

13) قم بتسمية غطاء لوحة أجار باسمك وتاريخك ومحتوياتك.

14) اترك الطبق في وضع رأسي لمدة ساعة.

15) اقلب الصفيحة وضعها في حاضنة 37 درجة مئوية لمدة 48 ساعة.

كرر الخطوات من 1 إلى 15 أعلاه لإنشاء لوحة التحكم الخاصة بك ، ولكن اترك الخطوة رقم 3.


أن يغني فونغ ودينغ شيانغ ليو
المجلد. 73 ، 2019

الملخص

تسبب عدوى فيروس كورونا البشري (HCoV) أمراضًا تنفسية ذات نتائج خفيفة إلى شديدة. في السنوات الخمس عشرة الماضية ، شهدنا ظهور نوعين من فيروس HCoV من الأمراض الحيوانية المنشأ والممرض بشدة: فيروس كورونا المتلازمة التنفسية الحادة الوخيمة (SARS-CoV) و. اقرأ أكثر

الشكل 1: تصنيف HCoVs: مخطط التصنيف المحدث لفيروس HCoV وفيروسات كورونا الأخرى. ستة من HCoVs المعروفة باللون الأزرق. الاختصارات: BtCoV ، فيروس كورونا الخفافيش BuCoV ، فيروس كورونا البلبل HCoV.

الشكل 2: بنية الجينوم لفيروسات كورونا البشرية (HCoVs). رسم تخطيطي يوضح بنية الجينوم لستة HCoVs معروفة (ليس مقياسًا). هيكل 5′-cap (5′-C) و 3′-polyadenylation (AnAOH-3.

الشكل 3: دورة النسخ المتماثل لفيروسات كورونا البشرية (HCoVs). رسم تخطيطي يوضح دورة النسخ العامة لفيروسات الالتهاب الكبدي الوبائي. تبدأ العدوى بربط HCoVs بجهاز الاستقبال الخلوي المتماثل.

الشكل 4: تحريض الالتهام الذاتي وتعديلها عن طريق عدوى فيروس التهاب الكبد الوبائي. رسم تخطيطي يوضح مسار إشارات الالتهام الذاتي وآليات التعديل التي يستخدمها فيروس التهاب الكبد الوبائي. الفيروسات والمكونات الفيروسية.

الشكل 5: موت الخلايا المبرمج الناجم عن عدوى فيروس التهاب الكبد الوبائي وآليات التعديل. رسم تخطيطي يوضح مسار الإشارات لتحريض موت الخلايا المبرمج الداخلي والخارجي وآليات التعديل.

الشكل 6: تحريض وتعديل استجابة البروتين المكشوفة عن طريق عدوى فيروس التهاب الكبد الوبائي. رسم تخطيطي يوضح الفروع الثلاثة لمسار إشارات UPR التي يتم تنشيطها وتنظيمها بواسطة عدوى HCoV. فيرو.

الشكل 7: تنشيط وتعديل مسارات إشارات MAPK عن طريق عدوى فيروس التهاب الكبد الوبائي. رسم تخطيطي يوضح تنشيط وتعديل مسار إشارات MAPK عن طريق عدوى فيروس التهاب الكبد الوبائي. الفيروسات والفيروسات.

الشكل 8: تحريض وإشارات الإنترفيرون من النوع الأول أثناء عدوى فيروس التهاب الكبد الوبائي وآليات التعديل. رسم تخطيطي يوضح مسارات الحث والتشوير من النوع الأول مضاد للفيروسات أثناء HCoV inf.


المختبر الافتراضي للتعرف البكتيرية

يستكشف هذا المعمل التفاعلي المعياري التقنيات المستخدمة لتحديد أنواع مختلفة من البكتيريا بناءً على تسلسل الحمض النووي الخاص بها.

في هذا المعمل ، يقوم الطلاب بإعداد وتحليل عينة افتراضية من الحمض النووي البكتيري. في هذه العملية ، يتعرفون على العديد من طرق البيولوجيا الجزيئية الشائعة ، بما في ذلك استخراج الحمض النووي ، و PCR ، والهلام الكهربائي ، وتسلسل الحمض النووي وتحليله. هذه الأساليب قابلة للتطبيق في مجموعة متنوعة من الإعدادات ، بما في ذلك البحث العلمي ومختبرات الطب الشرعي.

يحتوي المختبر على مساحة معملية تفاعلية ودفتر إعلامي يحتوي على إجراءات مفصلة. كما يتضمن أيضًا موارد تكميلية ، مثل مسرد المصطلحات العلمية ، وصور المعدات والأدوات ، وموسوعة البكتيريا.

توفر ورقة العمل المرفقة الهيكل والتوجيه أثناء قيام الطلاب بتنفيذ الإجراءات في المختبر.

يوجه رابط "Resource Google Folder" إلى مجلد Google Drive لمستندات الموارد بتنسيق محرّر مستندات Google. قد لا تتوفر جميع المستندات القابلة للتنزيل الخاصة بالمورد بهذا التنسيق. تم تعيين مجلد Google Drive على أنه "عرض فقط" لحفظ نسخة من المستند في هذا المجلد على Google Drive ، وافتح هذا المستند ، ثم حدد ملف ← "إنشاء نسخة". يمكن نسخ هذه المستندات وتعديلها وتوزيعها عبر الإنترنت باتباع شروط الاستخدام المدرجة في قسم "التفاصيل" أدناه ، بما في ذلك اعتماد BioInteractive.


نتائج

فوائد التحويل غير المتكافئة الخلايا القابلة للتحويل

لاستكشاف الفوائد المحتملة للاستراتيجيات التطورية المختلفة للخلايا البكتيرية ، تم تطوير نموذج تجزئة عشوائي لمحاكاة التبادل الجيني من خلال HDT (انظر الطرق). حققت عمليات المحاكاة الأولى في السيناريوهات التي قد يسهل فيها التحول استيراد الحمض النووي الأجنبي المفيد ، والذي يقابل إما اكتساب مواضع جديدة أو عكس سقاطة مولر عن طريق إصلاح الطفرات الضارة. تميزت هاتان السلالتان بملاءمة مختلفة ، إحداهما كانت قادرة على التحول والنمو والمنافسة في بيئة متجانسة. كانت زيادة معدل التحول ، ، مفيدة للسلالة القابلة للتحويل طالما كانت السلالة غير القابلة للتحويل أكثر لياقة ، وبالتالي التبرع بالأليلات المفيدة (الشكل 1 أ). كلما زادت ميزة اللياقة البدنية للمتبرع ، زادت الحاجة إلى أن تكتسب السلالة القابلة للتحويل الأليل النافع قبل أن يتفوق عليها. ومع ذلك ، عندما تكون السلالة غير القابلة للتحويل أقل ملاءمة ، كانت الزيادة ضارة بالسلالة القابلة للتحويل ، والتي لا يمكن أن تتنوع إلا من خلال الحصول على الأليلات الضارة. يتفاقم هذا الموقف إذا كان للتحول تكلفة لياقة مرتبطة ، محددة بنسبة 5 ٪ في الشكل 1 ب. في هذه المحاكاة ، كانت تكلفة التعبير عن آلية الكفاءة تعني أن السلالة القابلة للتحويل قد تفوقت عليها منافس أفضل بسرعة أكبر ، مما يحد من فرصة الحصول على مواقع مفيدة ، ويتفوق على منافس أقل ملاءمة بشكل أبطأ ، مما يزيد من فرصة الحصول على الأليلات الضارة. ومن ثم ، في هذه المحاكاة ، فإن قدرة التحول على تسهيل التبادل بين السلالات لا يمكن أن توفر فائدة طويلة المدى للخلايا إلا إذا واجهت باستمرار مانحين محتملين للأليلات التي تزيد من لياقتهم البدنية إلى حد يفوق تكلفة التعبير عن آلية الكفاءة ، وتلك. يمكن الحصول على الأليلات المفيدة بسرعة أكبر من الخلايا القابلة للتحويل التي يتفوق عليها المتبرعون المحتملون.

(أ) خريطة التمثيل اللوني تظهر نتيجة مسابقات محاكاة بين سلالتين ، واحدة منها فقط قابلة للتحويل. تمثل كل خلية في الشبكة معدل تحويل محددًا () وملاءمة نسبية للأليل في موضع قابل للتبديل داخل السلالة القابلة للتحويل ، المعروض في الجزء العلوي من كل عمود. تشير الملاءمة النسبية الأكبر من واحد إلى أن السلالة القابلة للتحويل لها ميزة أولية على الملاءمة النسبية للسلالة غير القابلة للتحويل التي تقل عن واحد تشير إلى أن السلالة غير القابلة للتحويل لها ميزة اللياقة الأولية. تنقسم كل خلية إلى قسمين: يُظهر المكون "S" نتيجة عمليات المحاكاة التي يكون فيها التحويل متماثلًا ، ويظهر المكون "A" نتيجة عمليات المحاكاة التي يكون فيها التحول غير متماثل ، مع اكتساب أليل اللياقة الأقل بمعدل 10 - أضعاف أقل من أليل اللياقة العالي. (ب) خريطة التمثيل اللوني تظهر نتيجة محاكاة المسابقات بين سلالتين ، واحدة منها فقط قابلة للتحويل ، عندما تكون هناك تكلفة مرتبطة بالتعبير عن آلية الكفاءة. يوضح هذا الشكل نتيجة عمليات المحاكاة المماثلة لتلك المعروضة في اللوحة A ، باستثناء أن السلالة القابلة للتحويل لها معدل نمو ، ، 5٪ أقل من السلالة غير القابلة للتحويل لتمثيل تكلفة آلية الكفاءة. كانت هذه التكلفة ثابتة عبر عمليات المحاكاة ومستقلة عن فرق اللياقة النسبي بين أليلات الموضع القابل للتبديل. يتم جدولة البيانات الأولية في بيانات S1.

يحدث الخلط المتماثل للأليلات في هذا السيناريو فقط إذا كان لدى المتبرع والمتلقي أليلات متشابهة الحجم لموضع مشترك. ومع ذلك ، فإن إعادة التركيب المتماثل قادرة على نقل الحمض النووي عندما يكون هناك تسلسل مشابه فقط على طرفي موضع متباين بخلاف ذلك ، حتى لو كان التسلسل المتداخل هو طول جزيرة جينومية نموذجية [60]. لذلك ، يمكن لإعادة التركيب المتماثل تغيير محتوى الجينوم من خلال دمج أو حذف مكونات الجينوم الإضافي ، اعتمادًا على ما إذا كان الموضع المتداخل موجودًا في الحمض النووي المستورد أو جينوم المستلم ، على التوالي (الشكل 2 أ). إذا كان هذا التباين الأليلي في طول الموضع موجودًا ، فعندئذٍ تكون كل الأشياء الأخرى متساوية ، يكون للتحول انحياز نحو الأليلات الأقصر ، مما يؤدي إلى ميل لحذف التسلسل بدلاً من استيراده [90-93]. هذا نتيجة لضرورة التشابه في كل نهاية لجزء من الحمض النووي المستورد حتى يتم دمجه بشكل ثابت في كروموسوم أي انشقاق يفصل إحدى هذه المناطق عن الأخرى ، والذي يزداد احتمالًا مع زيادة المسافة بين الأذرع المتجانسة ، يمنع تكامل التسلسل المستورد المتداخل بأكمله [94].

(أ) تعريف معامل عدم التناسق ، φ. (ب) رسم توضيحي لتبادل الحمض النووي داخل وبين الخلايا المرتبطة بالنسخة. (ج) وصف للنموذج الجزئي العشوائي لـ HDT داخل السكان.

تم تضمين المعلمة φ في نموذجنا لتمثيل التكامل غير المتماثل للأليلات ذات الأطوال المختلفة (يتم تلخيص معلمات النموذج في جدول S1). عندما تكون φ = 1 ، يتم تبادل كلا أليلين من هذه المواقع بمعدل متساو (تحويل متماثل) إذا كانت & lt 1 ، ثم يتم استيراد الأليل الأقصر بمعدل أعلى من الأليل الأطول ، ويتم عكس الحالة إذا كانت φ & gt 1. بافتراض استيراد شظايا الحمض النووي لها توزيع طول هندسي مع معامل معدل λر bp -1 [60] ، إذن φ دالة لطول الإدخال ، x، النموذج φx = (1-λر) x . تم تشغيل عمليات المحاكاة كما هو موضح سابقًا ، مع سلالة قابلة للتحويل وغير قابلة للتحويل تتميز في البداية بموضع biallelic ، حيث تحتوي إحدى السلالات على أليل قصير محايد والآخر طويل مرتبط بتكلفة اللياقة. اكتسبت الخلايا القابلة للتحويل أليلات طويلة بمعدل φ = 0.1 نسبة إلى الأليل القصير (انظر الطرق). في عمليات المحاكاة التي كان فيها الإدخال الضار موجودًا في البداية في السلالة القابلة للتحويل ، كان التحول مفيدًا في تسهيل إزالة الموضع. ومع ذلك ، كانت معدلات التحول المتزايدة محايدة عندما كانت السلالة القابلة للتحويل أكثر ملاءمة ، حيث يتم تعويض أي ارتفاع في المعدل الذي يتم فيه الحصول على الأليل الأطول من خلال إزالته بشكل أسرع ، وهو نمط لوحظ سواء كانت هناك تكلفة لياقة مرتبطة أم لا التعبير عن آلية الكفاءة (بيانات الشكل 1 أ و 1 ب S1). ومن ثم ، فإن التحول غير المتماثل يمكن أن يطهر الجينوم من عمليات الإدخال الضارة.

التحول غير المتماثل يتعارض مع انتشار MGE

في هذه المحاكاة ، تمت إزالة الأليلات الطويلة الضارة في النهاية من السكان عن طريق التحول بعد القضاء عليها ، ولم تعد هناك فائدة للاحتفاظ بنظام الكفاءة. ومع ذلك ، يتم إنشاء عمليات الإدخال الضارة بشكل مستمر داخل التجمعات البكتيرية من خلال حركة MGE [57]. لقد قمنا بتوسيع النموذج الجزئي العشوائي لـ HDT البكتيرية بحيث تنتقل MGEs الضارة أفقياً داخل مجتمع من الخلايا بمعدل معلمات بواسطة β ، يُفترض أن يكون أسرع بكثير من معدل انتقال MGE بين المجتمعات (βأنا الشكل 2 ب و 2 ج). قام النموذج بمحاكاة النمو والمنافسة وتبادل الحمض النووي بين البكتيريا الحساسة (S) والبكتيريا المصابة (I) ، متساوية المنشأ باستثناء موضع واحد كان فيه MGE موجودًا في البكتيريا I. كان التحول قادرًا فقط على القضاء على MGEs عندما تم دمجها في الكروموسوم المضيف. تستأصل MGEs نفسها من الكروموسوم المضيف بالمعدل F، والتي تحدد معدل انتقالها من الإرسال الرأسي إلى الأفقي. تم إجراء المحاكاة بنوعين من MGE: "أفقي أكثر" (MH = 10 −6 ما لم يذكر ، ب = 10, F = 0.05, جم = 0.075, أ = 1) ، والتي تنتقل بشكل متكرر بين الخلايا ، و "عمودي أكثر" (MV β = 10 −3 ما لم يذكر ، ب = 5, F = 0.005, جم = 0.0025, أ = 0) ، والتي ترتبط بشكل أكثر ثباتًا بالكروموسومات المضيفة.

قارنت المجموعة الأولى من عمليات المحاكاة (الشكل 3 أ) قيم مختلفة مقابل MGEs ذات القابلية المتغيرة للانتقال ، مع معدل تحويل ثابت قدره = 10 4. وجدنا أن عمليات المحاكاة باستخدام φ & gt 1 ، والتي فضلت نقل عمليات الإدخال ، أدت بنشاط إلى انتشار MGEs عبر مجموعة الخلايا. ومع ذلك ، عندما فضل عدم التناسق استيراد الأليلات الأقصر (φ & lt 1) ، كان التحول فعالًا للغاية في منع انتشار MH MGEs على نطاق ضيق قيم ، و MV MGEs عبر جميع قيم المختبرة. وبالمثل ، عندما φ = 0.1 ، تم العثور على معدلات أعلى من τ لتكون أكثر فعالية ضد MV عبر جميع القيم المختبرة لـ β ، بينما لا يزال بإمكان MH الانتشار عبر السكان إذا كان قابلاً للانتقال بشكل كافٍ (الشكل 3 ب). أشارت تحليلات الحساسية إلى أن التخلص من MGEs كان يعتمد على تركيز عالٍ بدرجة كافية من الحمض النووي خارج الخلية لإعادة التركيب المتماثل ، والذي تم تسهيله من خلال معدلات نمو الخلايا المرتفعة واستقرار أكبر للجزيئات خارج الخلية (الشكل S1).

(أ) خريطة الحرارة توضح نتيجة عمليات المحاكاة التي تصيب فيها MGE الخلايا المختصة للتحول بمعدل τ = 10 −4. يمثل لون الخريطة الحرارية نسبة السكان المصابين بـ MGEs على مدار كل محاكاة. تمثل كل خلية قابلية انتقال MGE محددة () وعدم تناسق التحول (φ) ، تُظهر مكونات "MH" و "MV" عمليات محاكاة مع MGEs ذات ميول أكبر نسبيًا للإرسال الأفقي والرأسي ، على التوالي. (ب) خريطة الحرارة ، معروضة كما في اللوحة A ، ولكن هذه المرة مقارنة تأثيرات المتغيرة مقابل تغيير معدل التحول (τ) بقيمة ثابتة φ = 0.1. (ج) الشروط اللازمة للتحول لتوفير ميزة اللياقة البدنية للسكان. تُظهر خريطة الحرارة هذه النسبة بين العدد الإجمالي للخلايا في مجموعتين مستقلتين من عمليات المحاكاة: واحدة كانت فيها الخلايا غير قابلة للتحويل ، وأخرى كانت الخلايا فيها قابلة للتحويل وتكبدت تكلفة مرتبطة بها (جج). في كلتا مجموعتي المحاكاة ، كان إما MH أو MV MGEs حاضرين في المجموعات السكانية ، وكان كل منها مرتبطًا بتكلفة متفاوتة للمضيف (جم) كان التحول فعالًا فقط في تثبيط انتقال MV. كلما زادت قيمة النسبة ، المشار إليها بواسطة لون خريطة الحرارة ، زاد حجم المجموعة البكتيرية نسبيًا عندما كانت الخلايا قابلة للتحويل. يتم جدولة البيانات الأولية في بيانات S1.

تم العثور على هذه الآلية أيضًا لتوفير فائدة على مستوى السكان. تم إجراء عمليات محاكاة مستقلة حيث كانت الخلايا إما غير قابلة للتحويل أو قابلة للتحويل (φ = 0.1 ، τ = 10 −4) ، وبالتالي ، تتأثر بالتكلفة المرتبطة بالتعبير عن آلية الكفاءة (جج). تميز كل مجموعة من السكان إما MH أو MV ، مع التكلفة المرتبطة بالإصابة بمثل MGE ، جم، متفاوتة بين عمليات المحاكاة. يوضح الشكل 3 ج خريطة الحرارة التي تلخص نسبة إجمالي عدد الخلايا المسجلة من عمليات المحاكاة ذات المعلمات المتطابقة ، ولكنها تختلف في ما إذا كان قد تم التعبير عن آلية الكفاءة أم لا. في عمليات المحاكاة التي تتضمن MH ، والتي كان التحويل غير فعال في مقابلها ، إما أن العدد الإجمالي للخلايا كان متشابهًا في مجموعات المحاكاة المتطابقة ، إذا جج كان مهملاً ، أو كانت الخلايا غير القابلة للتحويل أكثر نجاحًا بشكل يمكن اكتشافه ، إذا جج كانت عالية. ومع ذلك ، كان التحول فعالاً في منع انتشار MV ، وبالتالي في عمليات المحاكاة التي تنطوي على MGE الذي فيه جم كان أكبر من جج، أدى التحول إلى زيادة عدد الخلايا عندما تكون قابلة للتحويل ، على الرغم من التكاليف المرتبطة بآلية الكفاءة. ومن ثم ، فإن التحول التأسيسي غير المتماثل يمنع الانتقال الرأسي للـ MGE الضار ، مما يسمح للبكتيريا بإزالة هذه الطفيليات من جينوماتها ، مما قد يؤدي إلى زيادة لياقة الخلايا الفردية والسكان.

الكفاءة العابرة تزيل MGEs الضارة

في العديد من الأنواع ، يتم التعبير عن الكفاءة بشكل عابر فقط ، بدلاً من كونها تأسيسية. لاختبار ما إذا كانت أنماط التعبير هذه متوافقة مع منع انتشار MGEs ، تمت محاكاة المجموعات التي كانت الخلايا فيها مؤهلة فقط في "الحالة C". نظرًا لأن الاختصاص غالبًا ما يتم تنظيمه بواسطة إشارات قابلة للانتشار ، فقد افترض أن الخلايا تدخل الحالة C عند إشارة بين الخلايا ، "إشارة C" (سج) تتولد بشكل أساسي من جميع الخلايا ، وتتجاوز العتبة ، رج. عانت خلايا C-state من تكلفة التعبير عن الكفاءة ، والتي تم قياسها كمثبط للنمو جج، وخرجت من حالة C بالمعدل صج (الشكل 4 أ). كانت هذه المعلمات كافية لتحديد حالة C المعتمدة على كثافة الخلية (زج = 10, صج = 0, جج = 0.1) ، حيث أصبحت الخلايا مؤهلة بشكل لا رجعة فيه فوق حد كثافة معين ، واستراتيجية "تحوط الرهان" (زج = 0.1, صج = 0.5, جج = 1) ، مما أدى إلى توازن ديناميكي حيث كان ما يقرب من 13 ٪ من السكان في حالة C ، مع توقف نموهم تمامًا ، في أي وقت. لم يتسبب أي منهما في حدوث تغيير كبير في نمط النمو الإجمالي للسكان (الشكل 4 ب).

(أ) نموذج لحالة مختصة عابرة ("C") وقتل خلية - خلية للخلايا غير الحالة C. (ب) رسم بياني يوضح منحنى نمو الخلية الأصلي (بدون حالة C) ، الخلايا التي تدخل الحالة C بطريقة تعتمد على كثافة الخلية ، ثم لا تغادر أبدًا (كج = 0 و صج = 0) استراتيجية "تحوط الرهان" (كج = 0, زج = 0.1, صج = 0.5) حيث يكون جزء فقط من السكان مؤهلاً للتحول في أي وقت واحد الخلايا التي تمر بتذبذبات سكانية صغيرة (كج = 10 6) والخلايا التي تمر بتذبذبات سكانية كبيرة (كج = 10 −3) بترددات تحددها صج. (ج) خريطة الحرارة تلخص نتائج عمليات المحاكاة التي تقارن أنماط النمو والتعبير عن الكفاءة في اللوحة B مع MGEs المختلفة. يتم قياس الألوان كما في الشكل 3. وتظهر النتائج لاثنين من ممثلي MH و MV ، كل منها مرتبط بمعدلات مختلفة من HDT. التحول في المحدد τج حدث المعدل في الحالة C ، بحيث لم تكن الخلايا التي لم تدخل الحالة C أبدًا مؤهلة للتحول. يتم جدولة البيانات الأولية في بيانات S1.

يمكن أن تحاكي الحالة C أيضًا "قتل الأخوة" أو "أكل لحوم البشر" [15]. قد يكون تحلل البكتيريا المحيطة ، والتي عادة ما تكون متحدرة نسبيًا شبه متساوي المنشأ من سلف مشترك حديث ، مهمًا في زيادة تركيز الحمض النووي المتاح للتحول. لاستكشاف الأهمية البيولوجية لهذا ، تم تمكين خلايا الحالة C لقتل خلايا غير الحالة C بمعدل كج (الشكل 4 أ). يشمل هذا التوقيف العابر لنمو الخلايا وقتل الخلايا (جج = 1, كج & gt 0) إلى أنماط نمو متذبذبة مرت فيها المجموعات السكانية بمراحل بديلة من النمو النسيلي والكفاءة. في كج = 10 6 ، كانت الكفاءة عابرة ولكنها مرتبطة بتغيير طفيف في حجم السكان ، بينما كج = 10 −3 أدت إلى تذبذبات سكانية كبيرة. في ازدياد صج كان له تأثير معاكس على سعة التذبذب والتردد (الشكل 4 ب). لوحظت تقلبات سكانية كبيرة غير مبررة أثناء نمو س. الرئوية في ناظم كيميائي في غياب الملتهمة [95،96] ، ويمكن لحدوثها أثناء النقل أن يفسر التناقض بين التعداد وحجم السكان الفعال في النماذج الحيوانية [97].

مثل الكفاءة التأسيسية ، كانت الكفاءة العابرة فعالة أيضًا في منع انتشار MV (الشكل 4C). قضت حالة C التي تعتمد على كثافة الخلية بشكل لا رجعة فيه على MV من السكان بسرعة أكبر من التحوط للرهان ، على الرغم من أن الاستراتيجية الأخيرة اقتصرت على تكاليف التعبير عن الكفاءة لمجموعة فرعية فقط من السكان. كانت أنماط النمو التذبذبية فعالة عندما كان التحول سريعًا ، مما استلزم قيمة عالية لـ τ وإطلاق كافٍ للحمض النووي للحفاظ على التحول طوال فترة الكفاءة. تم تسهيل ذلك من خلال دورات قتل الخلايا والنمو السريع الذي تحركه كج & gt 0 ، وفترة أقصر يتم خلالها إيقاف النمو المرتبط بالكفاءة (S2 Fig). على النقيض من ذلك ، تم منع انتشار MH فقط من خلال التذبذبات الكبيرة في حجم مجتمع الخلايا (الشكل 4C) ، مدفوعًا أيضًا بقيم أعلى من كج، على الرغم من أن هذا التأثير كان مشروطًا بأن تكون MGEs غير مستقرة نسبيًا خارج الخلية ، بحيث لا يمكنها البقاء خارج الخلية من طفرة سكانية إلى أخرى (S3 الشكل). ومن ثم ، نجد أن تنظيم قتل الخلايا مع التحول غير المتماثل ، على النحو الذي تم صياغته بواسطة حالة C هذه ، يمكن أن يتحد بشكل تآزري لمنع انتقال وانتشار MGEs. الانتقال الأفقي محدود بسبب التخفيضات الكبيرة في كثافة الخلايا الحساسة أثناء الاصطدام السكاني ، والتي تتزامن مع إطلاقات كبيرة من الحمض النووي التي يمكن أن تحد من الانتقال الرأسي من خلال التحول. الأهم من ذلك ، تم العثور على جميع أنماط المحاكاة للنمو والكفاءة لتكون متوافقة مع القضاء على MGEs الطفيلية.

انتشرت بعض MGEs بنجاح أثناء حمل البضائع ، مثل مقاومة المضادات الحيوية ، والتي يمكن أن تكون مفيدة لمضيفها البكتيري [4،84]. لاستكشاف انتشار MGEs المفيدة ، نسمح بأن تكون "تكاليف" اللياقة سلبية ، بما يتوافق مع المزايا التي تزيد من معدل النسخ المتماثل. يوضح الشكل 5 انتشار MV المفيد والضار عندما يخضع سكان الخلية لكفاءة لا رجعة فيها تعتمد على الكثافة (الشكل 5 أ) ، أو التذبذبات منخفضة السعة (الشكل 5 ب) ، أو التذبذبات عالية السعة (الشكل 5 ج). يعتبر التحول التأسيسي المعتمد على الكثافة هو الأكثر فعالية في القضاء على الجهد المتوسط ​​، بغض النظر عما إذا كانت ضارة أو مفيدة. على النقيض من ذلك ، فإن الكفاءة العابرة قادرة على إزالة MV الضارة ولكنها تسمح للخلية بالانتشار على أوامر متعددة من الاختلاف في الحجم في τ. هذا هو نتيجة زيادة التكرار بين مراحل الكفاءة من خلال النقل والاختيار. ومع ذلك ، على مستوى السكان ، لا يزال التحول غير المتماثل مطلوبًا للحصول على الأليلات المفيدة بشكل تفضيلي ، مع عدم كفاية التعبير المنظم عن الكفاءة وحده (S3 الشكل). ومن ثم ، فإن المجموعات السكانية المؤهلة عابرة والمنحازة ضد الحصول على عمليات الإدخال من خلال التحول يمكن أن تسمح في كثير من الأحيان للـ MGEs بالانتشار ، مع القضاء على MGE الضارة.

(أ) خريطة الحرارة تلخص نتيجة عمليات المحاكاة التي تصيب فيها الخلايا MGE من النوع MV والتي دخلت الحالة C بطريقة تعتمد على كثافة الخلية (صج = 0). تمثل كل خلية معدل تحويل محدد τج و "تكلفة" MGE (جم) التكاليف السلبية تعني أن MGE تعود بالفائدة على الخلية. تنقسم كل خلية إلى مكونين ، يمثلان MV MGE مع قابلية انتقال عالية (β = 10 −1) أو منخفضة (10 3). (ب,ج) خرائط الحرارة ، معروضة كما في اللوحة A ، ولكن مقارنة الخلايا التي تدخل بشكل عابر في الحالة C مع كج = 10 −6 (اللوحة B) أو كج = 10 −3 (اللوحة C صج = 0.9 و φ = 0.5 في كلتا الحالتين). بالمقارنة مع حالة C المعتمدة على كثافة الخلية ، كانت أنماط التعبير عن الحالة C هذه فعالة في منع انتشار MV الذي كان ضارًا بالخلية ، ولكنها كانت عائقًا أقل نسبيًا لانتشار MV الذي أفاد الخلية. يتم جدولة البيانات الأولية في بيانات S1.

الفرص المتكررة لإزالة MGE عن طريق التحول

لكي تستفيد الخلايا من التحول الذي يعمل على إزالة MGEs ، يجب أن تكون هناك حالات متكررة من MGEs الضارة التي تكون متعددة الأشكال داخل مجموعات الخلايا المتجانسة. استكشفنا إمكانية حدوث مثل هذه المواقف داخل مجموعة بيانات تضم أكثر من 3000 عزلة متسلسلة من س. الرئوية، منها 1715 تمثل أخذ عينات طولية لـ 371 مضيفًا [98]. By performing a systematic search for variation in the three major classes of MGEs found in the pneumococcus (phage, integrative conjugative elements, and phage-related chromosomal islands [PRCI] [57]), we uncovered multiple instances of MGE variation between closely related isolates from the same host sampled on different days, despite the comparative insensitivity of sampling a single colony per timepoint. All but one of the well-characterised examples involved changes in prophages, which integrate into the genome and do not typically contain beneficial cargo genes in س. الرئوية [57].

Phylogenies were constructed that accounted for divergence through interstrain transformation, thereby reconstructing clonal descent (S4 Fig) [99]. Such analysis of the most common lineage in the sampled population, BAPS cluster (BC) 1-19F, demonstrated that the MGE variation within carriage represented changes in the prophage content of stably carried bacteria with very similar core genomes, rather than a host acquiring new genotypes with stable MGE content (Fig 6, S2 and S3 Tables). The detectable frequency of integrative MGE acquisition indicates these otherwise isogenic, recombining populations will frequently consist of coexisting S and I cells. That this coexistence may persist over weeks or longer is suggested by the repeated identification of the same MGE within a particular host, contrasting with its absence from other timepoints during individual carriage episodes. However, many bacteria were nonlysogenic, and there is little evidence of prophages being conserved over substantial proportions of the lineage’s overall evolutionary history, consistent with selection against cells infected with these parasites (S5 Fig) [57,100,101].

The displayed phylogeny was generated based on point mutations, excluding base substitutions likely to have been introduced by recombination (S4 Fig). Leaf nodes are annotated to indicate whether the comYC gene, required for efficient transformation, is intact (green dash) or disrupted by a prophage insertion (orange dash see key in Figs 8 and S5). Specific cases of changes in prophage content within what are likely to represent individual carriage episodes are highlighted. Each box displays the annotation of a specific prophage (S2 Table), along with sequence read mapping heatmaps beneath showing the depth of coverage across the viral sequence for individual isolates from a single host: blue for low levels of mapping, indicating the sequence is absent, and red for high levels of mapping, indicating it is present (see scale in Fig 8). The isolates are ordered by the date of isolation. Epidemiological data are summarised in S3 Table.

The precise mechanisms by which the MGEs may be eliminated are difficult to differentiate in populations with few distinguishing genetic markers. However, in one of the rare cases in which interstrain DNA transfer was detected within a single carriage episode, a transformation event was associated with the loss of an otherwise stable PRCI (S6 Fig) [57]. This observation of an MGE apparently being removed by transformation demonstrates the feasibility of the mechanism underlying our model.

Recurrent Inhibition of Transformation by Prophage

The leaf nodes of the phylogenies shown in Fig 6 are marked according to the status of their comYC gene, required for effective transformation [4,15]. S5 Fig shows that all these instances of comYC disruption result from the insertion of a prophage into the coding sequence (CDS). Whereas the integrases of most MGEs target them into the small noncoding fraction of the bacterial genome, thereby minimising the selective cost imposed on the host, this was the only example of an MGE disrupting a CDS observed in genomic data from a س. الرئوية population [57]. Past investigation of resistant س. الرئوية have found a second instance of a genomic island disrupting a CDS a gene cassette encoding a mefA macrolide resistance determinant was observed to inhibit transformation through insertion into comEC [102], which encodes a protein critical for forming the DNA import pore.

The benefit to the MGE of disrupting the competence system of the host cell is illustrated in Fig 7A and 7B. These display repeats of the simulations shown in Fig 3A and 3B, except that infection by either MH or MV prevented their host undergoing transformation. The results indicate MGEs derive an advantage from such abrogation of host competence when the transformation rate was sufficiently high (τ > 10 −7 ), and asymmetry in favour of shorter alleles sufficiently strong (φ ≤ 0.1), to impede their transmission through the population. Hence, in this model, transformation’s potential to prevent the spread of MGEs provides the selection pressure for such mobile elements to target competence genes for disruption when they integrate into the genome.

Panels أ و ب repeat the simulations displayed in Fig 3A and 3B, respectively, with the difference that the MH and MV MGEs in these simulations disrupt the host’s ability to undergo transformation when they insert into the cell’s chromosome. Raw data are tabulated in S1 Data.

A second lineage from the same population, BC4-6B, included clade A that diversified similarly to BC1-19F, with intermittent import of diversity through transformation and disruption of comYC (Fig 8). Yet clade B shows little evidence of diversification through transformation or MGE variation (S7 and S8 Figs). This reduction in all HDT mechanisms is associated with the stable inheritance of two prophages within clade B, one of which disrupts comYC (S8 Fig), exemplifying the efficient vertical transmission of prophages in the absence of transformation. However, as is necessary for competence to be preserved in the species [74], most insertions into comYC were not successful. Instead, across BC1-19F and clade A of BC4-6B, noncompetent bacteria appear to have been removed by selection at a faster rate than diversification through interstrain transformation, with “clonal” lineages only rarely found to transmit between multiple hosts.

The displayed phylogeny was generated based on point mutations, excluding base substitutions likely to have been introduced by recombination (S7 Fig). Leaf nodes are annotated to indicate whether the comYC gene, required for efficient transformation, is intact or disrupted by a prophage insertion (see key and S8 Fig). Specific cases of changes in prophage content within what are likely to represent individual carriage episodes are highlighted. Each box displays the annotation of a specific prophage (S2 Table), along with sequence read mapping heatmaps beneath showing the depth of coverage across the viral sequence for individual isolates from a single host, ordered by the date of isolation. Epidemiological data are summarised in S3 Table.

MGEs Inhibit Transformation in Many Species

The insertion of a prophage into comYC is not restricted to س. الرئوية. Searches for orthologues of the relevant phages’ integrases, which determine the site into which a phage inserts, identified examples of a prophage targeting the same gene in several other related species these included العقدية الطافرة و Streptococcus parauberis, from the same genus, as well as an example in المكورات اللبنية (Figs 9A and S9). These all inserted at an orthologous, but not perfectly conserved, site within the gene (S10 Fig). Unexpectedly, an orthologous integrase was found in العقدية القاطعة للدر, a species not considered to be naturally competent (Fig 9B) [28,103]. This integrase was part of a phage that inserted into the cas3 جين س. agalactiae’s CRISPR2 locus [104]. While disruption of loci that inhibit infection of the cell would not be expected to benefit a prophage, CRISPR systems are capable of targeting integrated prophages, resulting in cell suicide, or the post-activation excised, replicating form of the phage [105–107]. Under either scenario, depleting the cytosol of functional CRISPR proteins would provide the phage with an advantage prior to transmitting horizontally to the next cell. Hence, cellular countermeasures to both defences against horizontal and vertical transmission of MGEs are targeted by similar integrases directing the insertion of prophages in streptococci and related genera.

(أ) Comparison between المكورات اللبنية isolates IL1403 and KLDS 4.0325, the latter of which has a prophage inserted into the comYC gene, encoding the major structural component of the competence pilus. The sequences’ accession codes are given in brackets underneath the isolate names. Blue and orange boxes represent CDSs, with the direction of their transcription indicated by their vertical position relative to the horizontal line pink boxes indicate putative MGE CDSs in the same way. Brown boxes linked by dashed lines mark the fragments of a pseudogene disrupted by MGE insertion. The red bands link regions of similar sequence in the two loci, as identified by BLAST-like alignment tool (BLAT) the intensity of the colour indicates the strength of the match. The prophage integrase has

51% identity with the protein that drives integration into the orthologous gene in س. الرئوية 670-6B (SP670_2190). (ب) Comparison between العقدية القاطعة للدر isolates COH1 and FSL S3-277, the latter of which has a prophage inserted into the cas3 gene of the س. agalactiae CRISPR2 locus. This prophage integrase is

76% identical with that of the prophage disrupting the comYC جين س. الرئوية 670-6B. (ج) Comparison of العقدية السويسرية isolates P1/7 and 89–590, the latter of which has a prophage inserted into the 3’ half of the comFA competence gene. This prophage integrase is

46% identical with that of the prophage inserted into the orthologous gene in Streptococcus equi (SEQ_1765). (د) Comparison between بكتيريا سيريوس العصويه isolates MHI 226 and VD214, the latter of which has a prophage inserted into the 5’ half of the comFA competence gene. The prophage’s integrase is

44% identical with that of the prophage inserted into the comK competence gene in الليسترية المستوحدة (LMRG_01511).

A different example was observed in Streptococcus equi [108], in which a prophage inserted into the comFA الجين. Orthologues of this distinct integrase were identified in other species including the zoonotic pathogen العقدية السويسرية, in which the protein again directed a prophage to insert into the host cell’s comFA gene (Fig 9C). وبالمثل ، فإن بعض سلالات الليسترية المستوحدة have a prophage inserted into their comK genes [109], encoding a regulator of competence. A similar insertion was identified in a representative of Listeria innocua [110], a further example of which is shown in S11 Fig. Searching for proteins similar to the إل. monocytogenes prophage integrase identified a prophage inserted into comFA in representatives of the بكتيريا سيريوس العصويه و تورينجينسيس group (Figs 9D and S11). However, codon alignments demonstrated that the insertion site within the Bacillus comFA genes was distant from that of the distinct prophage identified in س. suis (S10 Fig), suggesting the targeting of this gene represented convergent evolution between the two MGEs. Another orthologue of the integrase found in إل. monocytogenes was present in a phage of المكورات المعوية البرازية, this time targeting the MGE to insert into radC (S11 Fig) the same gene was reported to be targeted by a prophage inserted into ب. subtilis that inhibited transformation [111], although the insertion site was not demonstrated to be the cause of this inability to integrate exogenous DNA. While RadC levels increase during competence, it does not always appear to be essential for transformation in the laboratory [112].

Another previously identified example of MGEs inhibiting competence was the observation from Aggregatibacter actinomycetemcomitans genomes that some MGEs inserted into comM [113], which encodes a protein important for efficient incorporation of DNA into the chromosome through homologous recombination [22]. MGEs were also inserted into comM in a single representative of راكدة بومانية [114], and a large insertion was identified in the same gene in Mannheimia succiniciproducs [115]. Searching for orthologues of the integrase targeting comM من عند أ. actinomycetemcomitans identified examples in other strains of أ. baumannii (S12 Fig), and similar insertions were observed in genes encoding orthologues of ComM across a diverse set of species, including the animal pathogen مانهايميا هيموليتيكا, the human pathogen Francisella philomiragia, and the plant pathogen سيودوموناس سيرينجاي.

The Effect of Competition between MGEs

Despite the potential advantage to individual mobile elements, the disruption of competence by MGEs is not ubiquitous. To investigate the reasons underlying this, we modelled an MGE “MI,” intermediate in properties between MV and MH (β = 5×10 −6 , ب = 7, F = 0.01, جم = 0.005, أ = 1), which is able to spread through a nontransformable cell population but is eliminated by cell-density-dependent, bet-hedging, and transient patterns of competence expression (Fig 10A). However, “MINT,” which has the same properties but disrupts the competence system of the host cell, is able to spread regardless of the type and rate of transformation of the host cell. When MI and MINT coinfect the same cell population, both MGEs achieve similar levels of transmission, mirroring the stability of both prophages within BC4-6B clade B, despite only one inhibiting competence (S8 Fig). This limits the advantage of strategies such as disrupting comYC, as the affected cell cannot eliminate superinfecting MGEs, benefitting all other elements infecting the same host.

(أ) Heatmap summarising the outcomes of simulations comparing the patterns of cellular competence shown in Fig 4C in the presence of the MGE MI (top row), which has properties intermediate between those of MH and MV. The colour of each cell represents the proportion of the population infected by the MGE over the course of the simulations. In the second row, the same simulations are performed, but in this case the MGE MINT inhibits transformation in the host cell. The bottom two rows show the outcome of simulations in which both MI and MINT infect the same population. (ب) Heatmap summarising the outcomes of simulations comparing cell growth patterns with different MI activation patterns: F, the normal rate of activation, is either low (0.005) or high (0.5), as is Fج, the rate of activation in C state. (ج) Heatmap summarising the same simulations shown in panel B, but for MINT. (د) Competition between MINT operating with its optimal strategy (F و Fج low) and MI operating with its optimal strategy (F قليل، Fج high). Both MGEs were allowed to infect the same population in these simulations. The heatmap shows the ratio of strains infected with MINT to those infected with MI when cells grew and expressed competence for transformation under different strategies. Raw data are tabulated in S1 Data.

Individual MGEs can also escape the consequences of transformation by switching from vertical to horizontal transmission when a cell becomes competent. This is achieved through increasing the activation rate, F, to an elevated value Fج during C state. Evidence for the relevance of this mechanism is the observation that many prophages [116–118] and integrative and conjugative elements (ICEs) [119,120] excise from the chromosome in response to elevated levels of RecA, the protein required for homologous recombination. Simulating the spread of MI with low (F أو Fج = 0.005) or high (F أو Fج = 0.5) rates of activation during either clonal growth or C state shows that relying heavily on vertical transmission (F = Fج = 0.005) makes the MGE highly susceptible to transformation (Fig 10B). By contrast, high levels of activation outside of C state (F = 0.5) results in substantial costs to the host population, with the consequent low host cell density reducing the efficiency of horizontal MGE transmission (S13 Fig). However, activating only at a high rate during C state permits stable vertical transmission when cells are not competent, while greatly reducing elimination through transformation. Nevertheless, cells’ synergistic coupling of reduced cell density with transformation can still strongly inhibit the spread of MGEs adopting this optimal strategy.

To test whether both these strategies for avoiding elimination by transformation might be synergistic, the analysis of activation rates was repeated for MINT. This found that the optimal strategy for MINT was different as the MGE could not be removed by transformation, it could achieve fixation in a population without elevated rates of activation in C state, and instead benefitted from a low rate of activation regardless of the cell’s behaviour (Fig 10C). However, when both MI and MINT were allowed to compete in the same population, both operating under optimal strategies (F low and Fج high for MI F و Fج low for MINT), MI was more successful in a greater number of scenarios (Fig 10D). MINT, by contrast, was more successful only if there were large changes in population size that inhibited horizontal transmission. This was the consequence of the rapid activation of MI, following the onset of C state, allowing it to spread horizontally at a higher rate additionally, this behaviour facilitated killing C-state cells in which MINT was also inserted but not yet activated. Hence, elevated Fج provides an advantage to MGEs over competitors in the same cell, regardless of whether they inhibit transformation or not. This contrasts with the disruption of host cell competence, which is an effective strategy for individual MGEs, but provides the same benefit to all MGEs parasitizing the same host. Hence the effectiveness of transformation against MGEs is likely to be partly maintained by competition between MGEs that infect the same cell.

Transformable Streptococci Harbour Fewer Prophages

Our hypothesis predicts that parasitic MGEs integrated into chromosomes that have not achieved fixation should be vertically transmitted at a lower rate in recombining populations of naturally transformable bacteria relative to equivalent nontransformable bacteria. The implication is, all else being equal, that transformable bacteria should harbour fewer MGEs. This is difficult to test with draft assemblies of bacterial genomes, which are fragmentary, often particularly so in regions encoding MGEs this situation is exacerbated when multiple similar elements are present in the same genome [57]. An alternative approach is to use complete and high quality draft genomes from species or genera containing a mix of transformable and nontransformable bacteria. There are over 140 suitable genome assemblies available for streptococci, of which a subset have been demonstrated to be naturally transformable [28,32,84,121–123] additionally, Streptococcus pseudopneumoniae was assumed to be naturally transformable, based on its close relationship with س. الرئوية و التهاب المكورات العقدية. In agreement with a previous comment by Beres et al. [124] based on the small number of genomes available at the time, streptococci demonstrated to be naturally transformable had significantly fewer prophages than nontransformable streptococci (mean number of prophages per transformable genome: 0.74 mean number of prophages per nontransformable genome: 1.85 Wilcoxon rank sum test: W = 3065.5, ص = 0.00021 S4 Table and S14 Fig) despite tending to have larger genomes (mean size of transformable genome = 2,073,450 bp mean size of nontransformable genome = 2,002,130 bp Wilcoxon rank sum test: W = 1702, ص = 0.013 S4 Table). However, there are several caveats to such an analysis. Firstly, the sampling of genomes is nonrandom, something that this analysis partly seeks to address (see Methods). Secondly, all samples are filtered by selection, and, therefore, low-fitness isolates that accumulate large numbers of MGEs are likely to be lost from the population quickly, thereby limiting the opportunity for sampling. Thirdly, there are other systems that inhibit the transmission of MGEs, thereby making the comparison uncontrolled it is noteworthy, for instance, that an analogous comparison of MGEs and CRISPR systems in streptococci did not find evidence for these systems providing a protective effect against phage infection [125]. In another example, a within-species analysis of أ. actinomycetemcomitans cells, of which a subset were rendered nontransformable by MGE insertions into the comM gene, reported noncompetent isolates to have an increased susceptibility to further MGE infection, although this was confounded by the associated loss of some CRISPR functionality [113].


7.11B: Bacterial Transformation - Biology

Griffith's Transformation Experiment

Pneumococcus bacteria include two strains, a virulent S strain with a سmooth glycoprotein coat that kills mice (left), and a non-virulent ر رough strain that does not (middle). Heating destroys the virulence of س (حق).

In the critical experiment, Frederick Griffith (1928) mixed heat-killed س مع يعيش ر and injected the combination into mice: the mouse died.The dead mouse's tissues were found to contain livه bacteria with smooth coats مثل س. These bacteria were subsequently able to kill other mice, and continued to do so after several generations in culture.

Griffith concluded that شيئا ما in the heat-killed س bacteria 'transformed' the hereditary properties of the ر بكتيريا. The nature of this 'مبدأ التحويل' was unknown.

HOMEWORK . Suppose the combination of heat-killed س و يعيش ر killed the أول generation of mice, but ليس the second or subsequent generations. What would you conclude about transformation?


بكتريا قولونية – the first choice for molecular cloning

Since the birth of molecular cloning, بكتريا قولونية has been used as a host for introduced DNA sequences. In 1973, Herbert Boyer and Stanley Cohen showed for the first time that two short pieces of bacterial DNA could be ‘cut and pasted’ together and returned to بكتريا قولونية. They went on to show that DNA from other species, such as frogs, could also be introduced to بكتريا قولونية.

لأن بكتريا قولونية was used with success in these early experiments and others, it became the bacterium of choice for virtually all molecular cloning. اليوم، بكتريا قولونية is used in labs worldwide as a host for foreign DNA sequences and their protein products.

Read these related articles:


اقتران

Bacterial conjugation refers to the transfer of DNA between bacterial cells that requires cell-to-cell contact. Joshua Lederberg and Edward Tatum first

The steps of bacterial conjugation are: mating pair formation, conjugal DNA synthesis, DNA transfer, and maturation. The main structure of the F factor that allows mating pair formation is the F pilus or sex pilus (a long thin fiber that extends from the bacterial cell surface). There are one to three pili expressed on an بكتريا قولونية cell that carries the F factor, and one pilus will specifically interact with several molecules on the recipient cell surface (attachment). About twenty genes on the F factor are required to produce a functional pilus, but the structure is mainly made up of one بروتين , pilin. To bring the donor and recipient cell into close proximity, the F pilus retracts into the donor cell by removing pilin protein مونومرات from the base of the pilus to draw the bacterial cells together.

Once a stable mating pair is formed, a specialized form of DNA replication starts. Conjugal DNA synthesis produces a single-stranded copy of the F factor DNA (as opposed to a double-stranded DNA that is formed by normal replication). This DNA strand is transferred into the recipient cell. Once in the recipient cell, the single-stranded copy of the F plasmid DNA is copied to make a double-stranded DNA molecule, which then forms a mature circular plasmid. At the end of conjugation the mating pair is broken and both the donor and the recipient cells carry an identical episomal copy of the F factor. All of the approximately one hundred genes carried on the F factor can now be expressed by the recipient cell and will be inherited by its offspring.

In addition to transferring itself, the F factor can also transfer chromosomal genes between a donor and recipient cell. The F factor can be found inserted (integrated) into the bacterial chromosome at many locations in a small fraction of bacterial cells. An integrated F factor is replicated along with the rest of the chromosome and inherited by offspring along with the rest of the chromosome. When a mating pair is formed between the donor cell carrying an integrated F factor and a recipient cell, DNA transfer occurs as it does for the episomal F factor, but now the chromosomal sequences adjacent to the integrated F factor are transferred into the recipient. Since these DNA sequences encode bacterial genes, they can recombine with the same genes in the recipient. If the donor gene has minor changes in DNA sequence from the recipient gene, the different sequence can be incorporated into the recipient gene and inherited by the recipient cell's offspring. Donor cells that have an integrated copy of the F factor are called Hfr strains (High frequency of recombination).


Reproduction in Bacteria

Both asexual and sexual reproduction occurs in bacteria.

التكاثر اللاجنسي

Asexual reproduction in bacteria occurs by الانشطار الثنائي. It occurs during favourable conditions. The size of bacteria becomes double. Bacteria absorb nutrients. It synthesizes its DNA. Bacteria also develop other material for cell division. This material includes enzymes, cell wall material and cell membrane materials. The DNA replicates and new DNAs move to the opposite poles. The membrane grows inward at the middle of the cell. It forms a mesosome. Mesosome form materipl for cell membrane. The inward growth of membrane continues. Finally both part of membrane joins in the middle. It divides the bacteria in two.

Bacteria also develop single endospore. Endospores are used to pass unfavourable conditions. The endospore germinates in favourable condition and develops new single bacterium. So endospore formation is not a mean of reproduction.

التكاثر الجنسي

True sexual reproduction is absent in bacteria. But genetic recombination takes place in bacteria. There are three type of genetic recombination in bacteria. These are conjugation, transformation and transduction.

The genetic recombination in which bacteria exchange genetic material through cytoplasmic bridge is called conjugation. Conjugation was discovered by Joshua Lederberg و Edward Tatum. Plasmid F (Fertility) is involved in the transfer of genetic material. F plasmids contain 25 genes. These genes are required for the production of sex pili. The bacteria which contain F plasmids are called F + bacteria (male). The bacteria which lack F plasmids are called F bacteria (female). F + cells are donor bacteria and F cells are recipient bacteria. Thus mating occurs between F + and F.

Sometimes, F plasmid incorporates into main bacterial DNA. Such bacteria are called هفر cells (High frequency of recombination). The DNA of Hfr bacteria replicates. F plasmid gets some part of this DNA. Now Hfr and F develop cytoplasmic bridge. F plasmids pass through it and transfer the genes of donor bacteria into the DNA of recipient bacteria.

The genetic recombination in which bacteria absorbs naked DNA is called transformation. Frederick Griffith discovered transformation. He performed experiments on pathogenic bacteria العقدية الرئوية. There are two forms of Streptococcus pneumoniae bacteria. Pathogenic form of this bacterium forms smooth colonies on a culture dish. So it is called S form. They are virulent. The mutant forms lack an enzyme which manufactures the polysaccharide coat. They form rough colonies. So they are called ر شكل. They are non-virulent. Griffith performed following experiments:

  1. He infected the mice with S strain of العقدية الرئوية بكتيريا. The mice died of blood poisoning.
  2. He infected similar mice with ر سلالة من S. pneumoniae. The mouse remains alive.
  3. He injected dead S strain of bacteria into the mice. The mice

remained healthy. Now he injected mice with a mixture containing dead S bacteria and live coatless ر بكتيريا. The mice developed the disease symptoms and many of them died. The blood of the dead الفئران contained a large number of live virulent S bacteria. These bacteria have surface proteins of the live (previously R) strain. Thus the information of polysaccharide coat has passed from the dead S bacteria to the live R bacteria in the mixture. Griffith called it transformation.

Experiments of Oswald Avery and coworkers

Oswald Avery and his colleagues performed series of experiment and called it Transforming principle. They destroyed different compounds one by one and checked the transforming activity. When they destroyed DNA, transformation activity stopped. Thus l3NA causes transforming activity.

3. Transduction

The genetic recombination in which genetic material is transferred by phage virus between two bacteria is called transduction. لديها two forms:

(a)Generalized transduction: It occurs in lytic cycle of phage

فايروس. DNA of phages virus enter into E.coli bacteria. This DNA replicates and develops many new DNA and capsids. The DNA of bacteria is broken. Some pieces of DNA also enter into capsid of virus. Bacteria burst and release new phage viruses. Now this phage enters into recipient bacteria and transfer DNA of donor bacteria into the DNA of recipient bacteria. Bacterial endonucleases enzymes destroy the phage virus. Now these bacteria incorporate genes of donor bacteria and replicates.

(b)Specialized transduction: It occurs in Lysogenic cycle of phage virus. In this cycle viral DNA incorporate into bacterial DNA as prophage. It remains peacefully there. But sometime, it becomes lytic. It comes out of bacterial DNA. Some part of bacterial DNA remain attach with it. Viral DNA with a piece of bacterial DNA replicates and develops new capsids. Bacteria burst. Virus infects other bacteria and transfer genes of donor bacteria to recipient bacteria.


DNA Transformation, continued

DNA transformation is a naturally occuring but rare event in which DNA can be transferred into bacteria. In 1970, Morton Mandel and Akiko Higa discovered a way to make E. coli more "competent" for transforming foreign DNA. Their calcium chloride method is widely used today to obtain high-efficiency transforming cells.

This animation is also available as VIDEO .

Stanley Cohen and Herbert Boyer inserted the recombinant DNA molecule they created into E. coli bacteria by means of a plasmid, thereby inducing the uptake and expression of a foreign DNA sequence known as "transformation."

e coli bacteria,dna transformation,dna molecule,herbert boyer,stanley cohen,recombinant dna,dna sequence,e coli,plasmid,expression


شاهد الفيديو: أحياء #2 - الادله على ان DNA هو المادة الوراثية تجربة التحول البكتيرى (سبتمبر 2022).