oamenii au fost mult timp intrigați de perspectiva ADN-ului străin în genomul nostru. Genomul uman port dovezi de benefic LGTs de bacterii în trecutul recent, și există dovezi că transferurile pot avea loc în mod regulat între rezident bacterii si celule somatice ale corpului. Cât de frecvent apare LGT de bacterii-animale este neclar, la fel ca mecanismele acestor transferuri. Dar dacă LGT-urile induc mutații dăunătoare, ele pot fi o cauză nerecunoscută a bolii.,schimbarea genelor: transferul de gene orizontal sau lateral (LGT) este un eveniment obișnuit printre bacterii, iar cercetările din ultimul deceniu au arătat că microbii își pot transfera ADN-ul și la gazdele multicelulare. Unul dintre cele mai bine studiate Exemple de LGT între microb și animal este transferul ADN-ului de la un endo-simbiont Wolbachia intracelular la gazda sa Drosophila.
vezi infografic complet: web / PDF© EVAN OTO / sursa de ȘTIINȚĂBACTERIILE sunt o grămadă genomică promiscuă., Ele nu se reproduc sexual, dar sunt printre cele mai variate specii genetice, deoarece schimbă în mod constant biți din Codul lor genetic prin LGT. Diversitatea lor le-a permis să se adapteze la fiecare nișă ecologică de pe planetă, de la orificiile hidrotermale de adâncime până la lacurile înghețate din Antarctica, de la crăpăturile de rocă până la propriile noastre intestine., LGT între bacterii a fost clasificată ca transformare prin ADN liber (materialul genetic este eliberat în mediu de bacterii și preluat de microbi vii, ca în experimentul lui Griffith), transducția prin viruși și transferul direct de celule celulare prin conjugare.mecanismele de transfer de la bacterii la alte organisme sunt mai puțin clare, dar sunt probabil similare. Sistemul de secreție de tip IV al bacteriilor este o proteină asemănătoare seringii cunoscută pentru a injecta molecule din bacterii în celula gazdă, prin contactul celulă-celulă., Este un mediator important al LGT între Agrobacterium și plante în sălbăticie, precum și în laborator, unde poate fi folosit pentru a crea culturi modificate genetic și poate chiar să medieze transferul între Agrobacterium și celulele umane. Folosind secvențierea genomului întreg, cercetătorii au descoperit că genomii numeroaselor insecte și viermi de nematode conțin uneori ADN de la microbii care locuiesc sau infectează corpurile lor. Unele specii conțin matrice vaste de ADN Endosymbiont Wolbachia, de exemplu-până la multe copii complete ale genomului bacterian. (Vezi ilustrația.,aceste LGT-uri mari pot fi aproape identice în secvență cu genomul endosymbiont, sugerând că s-au întâmplat destul de recent. Unele specii de insecte transporta resturi de transferuri de gene mult mai vechi, care au fost benefice pentru speciile beneficiare și au fost selectate de-a lungul timpului. Borerul de boabe de cafea, de exemplu, a cooptat o genă de mananază bacteriană care îi permite să mănânce boabe de cafea.1 genele mannanazei bacteriene cooptate pot, de asemenea, să stea la baza distrugerii culturilor cauzate de bug-ul invaziv marmorat maro.,2 și afidele își sintetizează propriile carotenoide folosind gene transferate din ciuperci pentru a produce un aspect colorat important pentru apărare.3 Pe măsură ce mai multe exemple de LGT între diverse organisme apar în literatură, este firesc să ne concentrăm asupra unghiului uman. Se întâmplă în noi și, dacă da, cât de des și care sunt consecințele?amploarea și importanța LGT la animalele vertebrate este mai puțin clară, în parte deoarece mai puține dintre genomurile lor au fost secvențiate și/sau analizate cu metode adecvate, comparativ cu cele ale nevertebratelor., O specie vertebrată al cărei genom a fost studiat extensiv-oamenii-a dat dovezi solide ale evenimentelor LGT antice.
în 2001, primul proiect de secvență a genomului uman a fost sugerat să aibă 223 regiuni derivate LGT care nu erau prezente în genomul altor specii care au fost secvențiate la acel moment.4 unii cercetători au contestat rapid acest număr ca o supraestimare, sugerând chiar că toate LGT-urile propuse au fost explicate mai probabil prin mecanisme alternative, cum ar fi pierderea genelor sau evoluția convergentă.,5 O nouă analiză a publicat anul trecut de către Alastair Clare de la Universitatea din Cambridge si colegii sai au descoperit mai mult de 130 de urme de posibile LGT evenimente în genomul uman—inclusiv prezența fungice hyaluronan synthases, o masă de grăsime și obezitate gene asociate (FTO), și gena responsabilă pentru grupele sanguine (ABO). Dar cele mai multe, dacă nu toate, a identificat evenimente precede pe om și primate linii și s-au identificat, deoarece cercetatorii au ales să nu se mai limiteze rezultate pentru LGTs care exista numai la om și nu la alte specii de animale.,6
pentru un non-umane gene să apară în genomul de mulți oameni, cu toate acestea, LGT trebuie să apară în germline astfel încât să poată fi transmisă generațiilor viitoare; și trebuie să confere un beneficiu pentru gazdă. Astfel LGTs pot fi rare, pentru că oamenii nu pot avea selecție puternică de funcții noi în genomul nostru, și pentru că celulele germinale sunt considerate a fi protejate de alte organisme și ADN-ul lor. Cu toate acestea, LGT ar putea fi posibil în genomul uman somatic; astfel de mutații inserționale ar fi foarte dificil de detectat, deși, fără secvențierea unui număr mare de celule umane.,
studiile sugerează că evenimentele LGT pot și apar în țesuturile umane, probabil cu consecințe devastatoare.
odată ce sunt prezente în genomul somatic uman, nu este greu de imaginat cum inserțiile LGT ar putea provoca boala. De fapt, în timp ce dovezile definitive ale LGT recente la om încă lipsesc, există și alte tipuri de transfer de ADN care sunt bine cunoscute pentru a avea un impact negativ asupra oamenilor. De exemplu, papilomavirusul uman (HPV) este cauza a 80% până la 100% din cancerele de col uterin., Virusul se poate integra în cromozomii celulelor cervicale, iar dacă integrarea este incompletă, anumite proteine HPV pot deveni nereglementate, ducând la întreruperea apoptozei, o creștere a proliferării celulare și, în cele din urmă, a cancerului. De asemenea, virusul hepatitei B (VHB) provoacă cancer hepatocelular și sa constatat că își introduce ADN-ul în hepatocitele infectate pe măsură ce celulele se regenerează. VHB integrează în mod recurent gena sa de potențiator viral și gena sa de bază în genele legate de cancer, determinând creșterea și supraviețuirea celulelor, două semne distinctive ale cancerului.,7
având în vedere riscul cunoscut de astfel de integrări, ne-am concentrat pe identificarea LGT a ADN-ului bacterian în genomul uman. Știam că trebuie să analizăm datele unui număr mare de indivizi, așa că ne-am bazat pe datele secvenței umane disponibile public din proiectele originale ale genomului uman public și privat și din proiectul 1000 Genomes. Ne-am dat seama rapid că, dacă un LGT s-ar întâmpla într-o celulă diferențiată terminală care nu-și mai reproduce ADN-ul, ar exista într-o singură copie și nu am putea niciodată să-l distingem de zgomot în timpul secvențierii. Așa că am apelat la tumori., Ne-am gândit că, dacă o inserție apare într-o celulă progenitoare a tumorii, ar trebui să fie propagată în tumoare și detectată de mai multe ori.am analizat datele secvenței genomului din nouă tipuri diferite de tumori din proiectele Atlas ale genomului cancerului și am folosit instrumente bioinformatice pentru a identifica potențialele integrări ale ADN-ului. În rezultatele publicate în 2013, am găsit secvențe din speciile Acinetobacter în probele de leucemie mieloidă acută (LMA) și din speciile Pseudomonas în probele de adenocarcinom stomacal (STAD). Au existat inserții recurente în genele legate de cancer în probele STAD.,8
atât în probele de cancer AML, cât și în stad, am identificat doar dovezi ale fragmentelor bacteriene 16S și 23S rRNA care se integrează în genomul uman. Karsten Sieber, apoi student absolvent în laboratorul Dunning Hotopp, a creat modele ale integrărilor STAD în genele legate de cancer și a observat că aceste piese ale genelor rRNA conțin structuri secundare care formează numeroase bucle stem sau bucle de ac de păr. Aceste integrări apar în regiunea 5 ‘- netradusă (5 ‘ -UTR) a genelor legate de cancer, ceea ce înseamnă că acestea sunt transcrise, dar nu traduse., Buclele stem prezise în fragmentele genei ARNr inserate ar putea modifica structurile secundare ale transcrierilor, perturbând astfel transcrierea și/sau traducerea. De asemenea, am observat că integrările stad presupuse apar în regiunile bogate în G ale genelor legate de cancer, ceea ce poate fi important și pentru reglarea genelor.9
carcinogeneza cauzată de LGT? Dacă ADN-ul este transferat de la bacteriile rezidente la celulele somatice umane, integrarea riscă să transforme celulele normale în cele canceroase.,© EVAN OTO / sursa științei
Ying Xu de la Universitatea din Georgia a identificat, de asemenea, evenimente LGT în tumorile umane. Echipa sa a căutat dovezi de material genetic din bacteriile Helicobacter pylori și virusul Epstein-Barr, ambele fiind asociate cu cancer gastric. Cercetatorii au identificat integrari H. pylori in 36 de gene in probele gastrice, cu mai multe integrari prezente in tumori in raport cu controalele.10 infecția cronică cu H. pylori poate provoca rupturi ale ADN-ului dublu, iar celulele umane pot „vindeca” aceste rupturi cu două fire prin introducerea unor bucăți de ADN rătăcit., Adesea, acesta este ADN nuclear sau mitocondrial, dar dacă ADN-ul bacterian este prezent, inclusiv ADN-ul H. pylori, acesta ar putea deveni integrat. Prin urmare, aceste integrări ar putea fi un efect secundar, mai degrabă decât o cauză a cancerului.nu este clar cum ADN-ul bacterian evită sistemul imunitar uman, care recunoaște majoritatea formelor de acizi nucleici. Dar aceste studii sugerează că evenimentele LGT pot și apar în țesuturile umane, poate cu consecințe devastatoare. Până în prezent, acestea sunt singurele cazuri raportate de integrări ADN bacteriene în cancerele umane., Dacă astfel de evenimente provoacă cancer și, dacă da, cât de frecvent, rămâne de văzut.
un drum abrupt înainte
o serie de provocări se confruntă cu cercetătorii care speră să evalueze prezența și impactul integrărilor ADN bacteriene în genomul celulelor umane. Un studiu aprofundat de acest fel este încă scump, iar după ce probele au fost secvențiate, este nevoie de resurse semnificative pentru a dezvolta, implementa și rula un instrument de calcul pentru a identifica LGT.contaminarea rămâne, de asemenea, o barieră. Aceasta a fost o problemă într-o analiză a genomului uman în 2001, și continuă să fie o problemă astăzi., S-a demonstrat că kiturile de extracție a ADN-ului conțin acizi nucleici bacterieni. Contaminanții pot fi introduși și prin manipularea probelor, din reactivi și în timpul secvențierii. În timpul procesului de creare a Bibliotecii ADN care urmează să fie secvențiată, s-ar putea forma himere care arată ca integrările ADN bacteriene. Destul de sigur, la inceputul acestui an, cercetatorii au descoperit ca gradul de LGT în tardigrad genom a fost supraestimat inițial; unele propus LGTs probabil a apărut din genomul bacterian contaminanți și nu din tardigrad genom.,11
în Ciuda scepticismului din unele colțuri ale comunității științifice și dificultățile de a studia ADN-ul bacterian integrari, credem că LGTs sunt o formă importantă de mutageneză inserțional. Poate că acum că integrările presupuse ale ADN-ului bacterian au fost identificate în cancer, mai mulți cercetători vor căuta aceste mutații în alte boli. O integrare a ADN-ului bacterian care apare într-o celulă umană și duce la exprimarea unui compus bacterian recunoscut de sistemul imunitar uman are potențialul de a declanșa boala autoimună, de exemplu., Cercetările ulterioare privind apariția și consecințele LGT în celulele umane vor dezvălui probabil că fenomenul este mult mai comun și mai important decât se apreciază în prezent. Kelly Robinson este doctorand în cadrul Programului de Medicină Moleculară de la Universitatea din Maryland, Baltimore. Julie Dunning Hotopp este profesor asociat la Institutul de științe ale genomului de la școala de Medicină a Universității din Maryland.
- R. Acuña și colab.. „Transferul orizontal adaptiv al unei gene bacteriene la un dăunător invaziv de insecte de cafea”, PNAS, 109: 4197-202, 2012.
- P. Ioannidis și colab.,, „Secvențierea rapidă a transcriptomei unui dăunător invaziv, bug-ul maro marmorat Halyomorpha halys,” BMC Genomics, 15:738, 2014.
- N. A. Moran, T. Jarvik, „transferul Lateral de gene de la ciuperci stă la baza carotenoid de producție în afide,” Știință, 328:624-27, 2010.
- E. S. Lander și colab.,” Secvențierea inițială și analiza genomului uman”, Nature, 409:860-921, 2001.
- S. L. Salzberg și colab.. „Genele microbiene din genomul uman: transfer Lateral sau pierdere de gene?”Science, 292:1903-06, 2001.
- A. Crisp și colab.,. „Expresia mai multor gene dobândite orizontal este un semn distinctiv al genomilor vertebrate și nevertebrate”, genomul Biol, 16:50, 2015.
- K. M. Robinson, J. C. Dunning Hotopp, „elemente Mobile și virale integrari prompt considerente pentru ADN-ul bacterian integrarea ca un roman cancerigen,” Cancer Lett, 352:137-44, 2014.
- D. R. Riley și colab., „Bacterii-transferul genetic lateral al celulelor somatice umane este îmbogățit în probele de cancer”, PLOS Comput Biol, 9:e1003107, 2013.
- K. B. Sieber și colab.,, „Modelarea integrării fragmentelor rRNA bacteriene în genomul cancerului uman”, BMC Bioinformatics, 17:134, 2016.
- J. Cui și colab.. „Caracterizarea cuprinzătoare a modificărilor genomice în cancerul gastric uman”, Int J Cancer, 137:86-95, 2015.
- G. Koutsovoulos și colab., „Nu există dovezi ample transferul orizontal de gene în genomul tardigrad Hypsibius dujardini,” PNAS, 113:5053-58, 2016.
