HORIZONTALE GENOVERDRACHT: MECHANISMEN EN VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2025

De horizontale genoverdracht of laterale genoverdracht is de uitwisseling van genetisch materiaal tussen organismen, die niet in families voorkomt. Deze gebeurtenis vindt plaats tussen individuen van dezelfde generatie en kan voorkomen bij eencellige of meercellige wezens.

Horizontale overdracht vindt plaats via drie hoofdmechanismen: conjugatie, transformatie en transductie. Bij het eerste type is de uitwisseling van lange DNA-fragmenten mogelijk, terwijl bij de laatste twee de overdracht beperkt is tot kleine segmenten van het genetisch materiaal.

Een bacterie. THG komt veel voor bij deze organismen. Bron pixabay.com

Het tegenovergestelde concept is verticale genoverdracht, waarbij genetische informatie van een organisme naar zijn nakomelingen gaat. Dit proces is wijdverbreid in eukaryoten, zoals planten en dieren. Horizontale overdracht is daarentegen gebruikelijk bij micro-organismen.

Bij eukaryoten is horizontale overdracht niet zo gebruikelijk. Er zijn echter aanwijzingen van uitwisseling van dit fenomeen, inclusief de voorouder van mensen, die bepaalde genen via virussen hebben verkregen.

Wat is horizontale genoverdracht?

Tijdens de voortplanting geven eukaryote organismen hun genen van de ene generatie door aan hun nakomelingen (kinderen) in een proces dat bekend staat als verticale genoverdracht. Prokaryoten voeren deze stap ook uit, maar via aseksuele voortplanting door splijting of andere mechanismen.

Bij prokaryoten is er echter een andere manier om genetisch materiaal uit te wisselen, namelijk horizontale genoverdracht. Hier worden de DNA-fragmenten uitgewisseld tussen organismen van dezelfde generatie en kunnen ze van de ene soort naar de andere gaan.

Horizontale overdracht komt relatief veel voor bij bacteriën. Neem het voorbeeld van genen die resistentie tegen antibiotica veroorzaken. Deze belangrijke DNA-fragmenten worden normaal overgedragen tussen bacteriën van verschillende soorten.

Deze mechanismen brengen aanzienlijke medische complicaties met zich mee bij de behandeling van infecties.

Mechanismen

Er zijn drie fundamentele mechanismen waarmee DNA kan worden uitgewisseld door horizontale overdracht. Dit zijn vervoeging, transformatie en transductie.

Conjugatie

Genoverdracht door middel van conjugatie is het enige type waarbij direct contact tussen de twee bacteriën plaatsvindt.

Het moet echter niet worden vergeleken met genuitwisseling door seksuele voortplanting (waarbij er gewoonlijk contact is tussen de betrokken organismen), aangezien het proces heel anders is. Een van de belangrijkste verschillen is de afwezigheid van meiose.

Tijdens de conjugatie vindt de doorgang van genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere plaats door fysiek contact dat tot stand wordt gebracht door een structuur die pili wordt genoemd. Dit werkt als een verbindingsbrug, waar de uitwisseling plaatsvindt.

Hoewel bacteriën niet differentiëren in geslachten, staat het organisme dat een klein circulair DNA draagt ​​dat bekend staat als factor F (vruchtbaarheid f) bekend als "mannelijk". Deze cellen zijn de donoren tijdens de conjugatie en geven het materiaal door aan een andere cel die de factor mist.

Factor F-DNA bestaat uit ongeveer 40 genen, die de replicatie van de seksuele factor en de synthese van de seksuele pili regelen.

Het eerste bewijs van het vervoegingsproces komt van de Lederberg- en Tatum-experimenten, maar het was Bernard Davis die uiteindelijk aantoonde dat contact nodig was voor overdracht.

Transformatie

De transformatie omvat het nemen van een naakt DNA-molecuul dat in de omgeving wordt aangetroffen dicht bij een gastheerbacterie. Dit stukje DNA is afkomstig van een andere bacterie.

Het proces kan op natuurlijke wijze worden uitgevoerd, aangezien bacteriepopulaties normaal gesproken transformatie ondergaan. Evenzo kan de transformatie in het laboratorium worden gesimuleerd om bacteriën te dwingen DNA van belang op te nemen dat buiten wordt gevonden.

Theoretisch kan elk stukje DNA worden afgenomen. Er is echter waargenomen dat het proces kleine moleculen omvat.

Transductie

Ten slotte vindt het transductiemechanisme plaats door middel van een faag (virus) die DNA van een donorbacterie naar een ontvanger transporteert. Net als in het vorige geval is de hoeveelheid overgedragen DNA relatief klein, aangezien het vermogen van het virus om DNA te dragen beperkt is.

Gewoonlijk is dit mechanisme beperkt tot bacteriën die fylogenetisch dichtbij zijn, aangezien het virus dat het DNA draagt ​​zich moet binden aan specifieke receptoren op de bacteriën om het materiaal te injecteren.

Voorbeelden

Endonucleasen zijn enzymen die het vermogen hebben om fosfodiësterbindingen binnen een polynucleotideketen van binnenuit te verbreken - daarom staan ​​ze bekend als "endo". Deze enzymen knippen nergens, ze hebben specifieke sites om dat te doen, de zogenaamde restrictie-sites.

De aminozuursequenties voor de enzymen EcoRI (in E. coli) en RSRI (in Rhodobacter sphaeroides) hebben een sequentie van bijna 300 aminozuurresiduen, die 50% identiek zijn aan elkaar, wat duidelijk wijst op een nauwe evolutionaire verwantschap.

Dankzij de studie van andere moleculaire en biochemische kenmerken zijn deze twee bacteriën echter zeer verschillend en zijn ze zeer weinig verwant vanuit een fylogenetisch oogpunt.

Bovendien gebruikt het gen dat codeert voor het EcoRI-enzym zeer specifieke codons die verschillen van de codons die normaal door E. coli worden gebruikt, dus vermoed wordt dat het gen niet in deze bacterie is ontstaan.

Horizontale genoverdracht in evolutie

In 1859 bracht de Britse natuuronderzoeker Charles Darwin een revolutie teweeg in de biologische wetenschappen met zijn evolutietheorie door natuurlijke selectie. In zijn iconische boek, The Origin of Species, stelt Darwin de metafoor van de boom des levens voor om de genealogische relaties tussen soorten te illustreren.

Tegenwoordig zijn fylogenieën een formele weergave van deze metafoor, waarbij wordt aangenomen dat de overdracht van genetische informatie verticaal plaatsvindt - van ouders op kinderen.

We kunnen deze visie zonder al te veel ongemak toepassen op meercellige organismen en we zullen een vertakt patroon krijgen, zoals Darwin voorstelt.

Deze weergave van takken zonder fusies is echter moeilijk toe te passen op micro-organismen. Bij het vergelijken van de genomen van verschillende prokaryoten, is het duidelijk dat er uitgebreide genoverdracht tussen lijnen is.

Het patroon van relaties lijkt dus meer op een netwerk, met takken die met elkaar zijn verbonden en samengesmolten, dankzij de prevalentie van horizontale genoverdracht.

Referenties

1. Gogarten, JP en Townsend, JP (2005). Horizontale genoverdracht, genoominnovatie en evolutie. Nature Reviews Microbiology, 3 (9), 679.
2. Keeling, PJ en Palmer, JD (2008). Horizontale genoverdracht in eukaryotische evolutie. Nature Reviews Genetics, 9 (8), 605.
3. Pierce, BA (2009). Genetica: een conceptuele benadering. Panamerican Medical Ed.
4. Russell, P., Hertz, P., en McMillan, B. (2013). Biology: The Dynamic Science. Nelson Onderwijs.
5. Sumbali, G., en Mehrotra, RS (2009). Principes van microbiologie. McGraw-Hill.
6. Syvanen, M., en Kado, CI (2001). Horizontale genoverdracht. Academische pers.
7. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Inleiding tot microbiologie. Panamerican Medical Ed.