Das Bakterium wird von einem Symbionten in einen Parasiten verwandelt, der sein Genom reversibel verändert. • Alexander Markov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Genetik, Mikrobiologie

Das Bakterium verwandelt sich von einem Symbionten in einen Parasiten und verändert sein Genom reversibel

Oben: Schmetterlingsraupen Galleria Mellonellagetötet von einem glühenden Bakterium Photorhabdus luminesziert. Unten: die gleichen Bakterien, die friedlich im Darm eines Rundwurms leben Heterorhabditis Bakteriophora (diesmal leuchten sie nicht mit ihrem eigenen Licht, sondern dank des fluoreszierenden Proteins, dessen Gen Genetik in sie einführte). Bild © Todd Ciche von microbewiki.kenyon.edu

Leuchtendes Bakterium Photorhabdus lebt abwechselnd in Spulwürmern, wo sie als wohltätige Mitbewohnerin auftritt, dann in Insekten, für die sie ein tödlicher Krankheitserreger ist. Der Übergang von einem Zustand in einen anderen geht einher mit radikalen Veränderungen der Eigenschaften von Bakterienzellen. Mikroben werden aufgrund einer kleinen reversiblen genetischen Veränderung – Rotation (Inversion) der regulatorischen Region des Genom-Promotors von einer pathogenen P-Form in eine mutualistische M-Form transformiert verrückt machen. Befindet sich der Promotor in der "on" -Position, produzieren die Bakterien Substanzen, die für ein friedliches Leben im Körper des Wurms notwendig sind. Wenn ein Promoter in die "Aus" -Position gebracht wird, berauben Bakterien die Fähigkeit, in die Wurmzellen einzudringen, können aber Giftstoffe produzieren, die tödlich für Insekten sind, sowie Antibiotika und andere Substanzen, die für die Koexistenz von Bakterien und Würmern im Körper eines toten Insekts notwendig sind.Die Inversion des Promotors erfolgt durch zwei spezielle Enzyme – DNA-Invertase, und dies geschieht mehr oder weniger zufällig. Das Vorherrschen von P-Formen im Körper des Insekts und M-Formen in den Zellen des Wurms wird anscheinend durch die Auswahl, dh den selektiven Vorteil erklärt, den diese Formen unter verschiedenen Bedingungen haben.

Leuchtende Bakterien Photorhabdus luminesziert mit Nematoden ein erstaunliches "Kampfbündnis" bilden Heterorhabditis Bakteriophoramit denen sie Insekten jagen.

Ein junger Nematode mit vielen Bakterien im Darm wird in ein Insekt implantiert und spuckt alle Bakterien in die Körperhöhle des Opfers. Der Wurm nutzt seine Symbionten als biologische Waffen. Bakterien töten schnell ein Insekt mit Hilfe von Tc- und Mcf-Toxinen ab, die eine starke insektizide Wirkung haben. Dann beginnen die Keime und der Wurm den Körper des Opfers zu verdauen und sich zu vermehren. Gleichzeitig kümmern sich Bakterien nicht nur um sich selbst, sondern auch um den Wurm: Sie produzieren spezielle Proteine ​​mit einem hohen Gehalt an essentiellen Aminosäuren (kristalline Einschlussproteine, Cips), die für die Ernährung des Wurms notwendig sind. Darüber hinaus produzieren sie Antibiotika, die verhindern, dass andere Mikroben in einem toten Insekt brüten.Schließlich leuchten sie – vermutlich, um andere Insekten zu locken und so die Jagd auf junge Nematoden zu erleichtern.

Der Wurm frisst das Gewebe des Opfers und infiziert leuchtende Bakterien neu. Symbionten heften sich an die Darmwand und gelangen in die Zellen der Rektaldrüse (Rektaldrüsenzellen), wo sie die Bildung von Vakuolen anregen, in denen sich Bakterien weiter vermehren. Die Zellen platzen dann und geben Bakterien in die Körperhöhle des Wurms frei. Hier werden sie von jungen Würmern verschluckt, die sich im Körper der Mutter entwickeln. Am Ende stirbt der alte Wurm, und die Jungen tauchen daraus und aus dem Körper eines Insekts aus und begeben sich auf die Suche nach neuer Beute.

So leben Bakterien abwechselnd im Wurm, fungieren als Symbionten und Verbündete, dann in einem Insekt, mit dem sie grausam bestrafen. Wie schaffen sie es, so unterschiedliche "Berufe" zu kombinieren? Ein Artikel von amerikanischen Mikrobiologen und Genetikern, veröffentlicht in einer neuen Ausgabe der Zeitschrift Wissenschaft.

Die Autoren fanden diese Bakterien P. luminescens Im Darm werden Nematoden in zwei Arten unterteilt: groß (1,2 × 4,4 & mgr; m), die große undurchsichtige Kolonien auf dem künstlichen Medium bilden, und klein (0,8 × 1,2 & mgr; m), wobei kleine transparente Kolonien gebildet werden.Die ersten wurden P-Formen genannt, die zweiten – M-Formen (von den Wörtern pathogenic und mutualistic). Es stellte sich heraus, dass nur M-Formen in der Lage sind, sich an die Darmwand des Wurms anzuheften, in seine Zellen einzudringen und dann in den Darm von jungen Individuen. M-Formen – Spezialisten für friedliches Zusammenleben mit einem Wurm. Größere P-Formen sind verantwortlich für das Töten von Insekten. Es ist ihr schluckender erwachsener Nematode und ernährt sich von den Geweben eines toten Insekts. Aber dann im Darm des Wurms verwandelt sich ein Teil der P-Form in die M-Form. Sie werden an die nächste Generation von Nematoden übertragen.

P- und M-Formen von Bakterien Photorhabdus luminesziert. Auf der linken Seite – große Kolonien von P-Formen und kleine Kolonien von M-Formen. Auf der rechten Seite – große P-Zellen und kleine M-Zellen. Letztere leuchten grün, weil sie in das Operon eingefügt sind. sauer grün fluoreszierendes Proteingen. Das gleiche Gen wird in das P-Form-Genom eingefügt, aber sie fluoreszieren nicht, weil der Promotor verrückt machen Sie sind in der Off und Operon sauer nicht ausgedrückt. Bild aus dem Artikel in der Diskussion Wissenschaft

Wie ist die Transformation? Es wurde früher gezeigt, dass eine Gruppe bakterieller Gene benötigt wird, um eine mutualistische Beziehung zu einem Wurm herzustellen. sauer (mütterliche Adhäsion), die Proteine ​​produzieren, die es der Mikrobe erlauben, sich an die Darmwände eines erwachsenen Nematoden zu heften. Genaktivität sauer gesteuert von einem Promoter, der oft Inversionen erfährt, und ihn in die "on" -Position (und dann die Gene) umwandelt sauer Arbeit), dann in der "Aus" -Position (und dann sind diese Gene still). Diese regulatorische Region der DNA, die häufigen Inversionen unterliegt, wird genannt verrückt machen (was offensichtlich als "Genschalter" übersetzt wird sauer"und nicht als" verrückter Schalter ", obwohl dieser Name ihm sehr gut passt).

Die Zusammensetzung verrückt machen umfasst 257 Nukleotidpaare. Der "Schalter" ist auf beiden Seiten durch umgekehrte Wiederholungen begrenzt – palindromische Sequenzen von je 36 Nukleotiden. Inversionen solcher Stellen können durch spezielle Enzyme – DNA-Invertasen oder ortsspezifische Rekombinasen – durchgeführt werden (siehe: Künstliches Protein hilft HIV zu bekämpfen, "Elements", 05.07.2007). Das Gen für eine solche Invertase, MadRliegt in der Nähe von verrückt machenauf der anderen Seite des Blocks von Genen kontrolliert es sauer.

Gegenseitige Anordnung von Genen sauer und Promoter verrückt machen auf den Chromosomenbakterien Photorhabdus luminesziert. Jedes Gen ist als ein Pfeil dargestellt, der die Richtung der Transkription ("Lesen") angibt. Abbildung aus dem besprochenen Artikel in Wissenschaft

Die Autoren zeigten, dass die Umwandlung von P-Formen in M-Formen und zurück durch Umschalten erfolgt verrückt machen. M-Formen verrückt machen ist in der "An" -Position. Daher exprimieren sie acht Gene sauererforderlich, um die Bakterien an der Darmwand zu befestigen (MadA, MadB, MadC, MadD, MadE, MadF, MadG, MadH). Es sind jedoch nicht diese Gene, die für die Umwandlung der P-Form in die M-Form verantwortlich sind. Wenn Sie sie löschen, wenn aktiviert verrückt machen Die Transformation passiert immer noch. Es stellte sich heraus, dass das Gen die Schlüsselrolle bei der Transformation spielt MadJdas wird auch durch einen Schalter geregelt verrückt machenbeteiligt sich jedoch nicht an der Bindung von Bakterien an Darmzellen. Offensichtlich ist dies ein Genregulator, der die Aktivität einiger anderer Gene steuert. Wenn Sie es löschen, werden P-Formulare nicht zu M-Forms. Die Transformation tritt auch nicht auf, wenn Sie eine der umgekehrten Wiederholungen entfernen. verrückt machen. Auf diese Weise erzeugten die Autoren Stämme der "ewigen" P- und M-Formen, die nicht ineinander übergehen können. Diese Stämme haben geholfen, die vielen Unterschiede zwischen den Formen im Detail zu untersuchen.

Es stellte sich heraus, dass nur P-Formen in signifikanten Mengen Insektizid-Toxine produzieren, Antibiotika gegen konkurrierende Bakterien, Cips Nahrungsproteine ​​und andere Substanzen, die Nematoden für normales Wachstum und Reproduktion in einem toten Insekt benötigen. Darüber hinaus bildet sich P heller und schwimmt aktiver. M-Formen sind stumpf (produzieren fast keine Luciferase) und sind fixiert.Sie vermehren sich viel langsamer als die P-Formen im künstlichen Medium und im Darm von Nematoden. Die M-Formen zeichnen sich jedoch durch eine erhöhte Resistenz gegen Antibiotika Ciprofloxacin und Streptomycin aus. Offensichtlich wird der Metabolismus der M-Formen im Allgemeinen verlangsamt. Dies ist eine Art "Schlafphase" im Lebenszyklus. P. luminescens. Vielleicht ist eine solche Hemmung für sie vorteilhaft, während sie im Nematoden leben und die Zeit noch nicht gekommen ist, das Insekt anzugreifen.

Die Autoren fanden auch, dass DNA-Invertase MadRwessen Gen ist neben dem Promoter verrückt machen ist dafür verantwortlich, es in die "Aus" -Position zu bringen, was zur Umwandlung der M-Form in die P-Form führt. Die Umkehrschaltung wird durch DNA-Invertase durchgeführt. MadOdessen Gen in einem anderen Teil des Chromosoms ist.

Im Prinzip könnten Bakterien die Häufigkeit von direkten und reversen Transformationen regulieren und das Expressionsniveau dieser DNA-Invertasen verändern. Es ist unklar, ob sie das tatsächlich tun. Auf einem künstlichen Medium treten Transformationen zufällig auf: P-Formen werden in M-Formen mit einer Häufigkeit von 1,21 · 10 transformiert-3 pro Zelle pro Generation, die Häufigkeit der umgekehrten Transformationen unter: 4.30 · 10-5. Offensichtlich wird das Verhältnis der beiden Formen unter natürlichen Bedingungen nicht so sehr von der Häufigkeit der Transformationen bestimmt, wie von der natürlichen Selektion.In der Darmhöhle des Wurms und im Körper des Insekts überwiegen die P-Formen scharf, weil sie sich schneller vermehren (dh sie haben einen selektiven Vorteil gegenüber den M-Formen, verdrängen sie). Aber nur M-Formen können sich an die Darmwand anheften, in die Zellen der Rektaldrüsen und in junge Würmer eindringen, die daher während dieser Phasen des Lebenszyklus vorherrschen. Jedoch innerhalb einer Woche nach dem Eindringen von Bakterien in den jungen Nematoden der M-Form in seinem Darm wird fast vollständig durch die P-Formen ersetzt. Als Ergebnis ist der Wurm "bewaffnet" und bereit, das Insekt anzugreifen.

So verändern die Bakterien teilweise zufällig, teilweise "absichtlich" ihr Genom, um sich von einer Umgebung zur anderen zu bewegen und sich von friedlichen Mitbewohnern von Würmern in heimtückische Insektenvernichter und zurück zu verwandeln. Solch eine ungewöhnliche Art der Anpassung an sich verändernde Bedingungen, basierend auf reversiblen Veränderungen im eigenen Genom, ähnelt der Modifikationsvariabilität, aber nur oberflächlich. Im Falle einer Modifikationsvariabilität ändert sich nur die Genaktivität und das Genom bleibt unverändert. Daher werden solche Änderungen ("erfasste Merkmale") nicht vererbt. Im Fall von P. luminescens Das Genom verändert sich und diese Veränderungen werden natürlich vererbt. Formal können sie sogar als "evolutionär" bezeichnet werden, denn es gibt erbliche Veränderungen (Mutationen), die durch Selektion unterstützt werden und Organismen helfen, sich an die Umwelt anzupassen. In diesem Fall sollte erkannt werden, dass evolutionäre Veränderungen in diesen Bakterien zu einem unverzichtbaren Teil des Lebenszyklus geworden sind.

Quelle: Vishal S. Somvanshi, Rudolph E. Sloup, Jason M. Crawford, Alexander R. Martin, Anthony J. Heidt, Kwi-Suk Kim, Jon Clardy, Todd A. Ciche. Eine einzelne Promotorinversion schaltet Photorhabdus zwischen pathogenen und mutualistischen Zuständen um // Wissenschaft. 2012. V. 338. P. 88-93.

Siehe auch:
Photorhabdus luminescens: Das Glühen des Engels. Der Legende nach haben einige verwundete Soldaten während des amerikanischen Bürgerkriegs Wunden im Dunkeln leuchten lassen, und solche glühenden Wunden heilten besser als gewöhnlich. Vielleicht wurde dieses Phänomen, genannt "Angel's Glow", von Bakterien verursacht PhotorhabdusSchließlich können sie glänzen und Antibiotika absondern.

Alexander Markow


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