КАК ПРОИСХОДИТ И ЧЕМ ЛИМИТИРУЕТСЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ У БАКТЕРИЙ



Цитировать

Полный текст

Аннотация

Горизонтальный перенос генов является, наряду с мутационной изменчивостью, внутригеномными перестройками и утратами генов, одной из движущих сил видообразования и эволюции у бактерий. Изложены представления о видовом геноме, об участии различных мобильных элементов в реализации отдаленного горизонтального переноса генов, сведения о барьерах, лимитирующих такой перенос на уровне молекулярных, клеточных и популяционных процессов. Обсуждается значение различных систем рекомбинации; рассмотрена сущность гипотезы о ведущей роли горизонтального переноса генов в процессах генетической и экологической диверсификации бактерий.

Об авторах

Сергей Васильевич Шестаков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, РФ

Email: shestakovgen@mail.ru 119 234, Russia, Moscow, Leninskie Gory, etc. 1, p. 12, MSU

Список литературы

  1. Заварзин Г. А. Составляет ли эволюция смысл биологии/Заварзин Г. А.//Вестник РАН. -2006. -Т. 76, N6. -С. 522-543.
  2. Ильина Т. С. Суперинтегроны бактерий -источники новых генов с адаптивными функциями/Ильина Т. С.//Генетика. -2006. -Т. 42, N 11. -С. 1536-1546.
  3. Калакуцкий Л. В. Обращение с микроорганизмами: правила писаные и неписаные/Калакуцкий Л. В.//Вестник РФФИ. -2005. -N 2. -С. 35-60.
  4. Крылов В. М. Роль горизонтального переноса генов бактериофагами в возникновении патогенных бактерий/Крылов В. М.//Генетика. -2003. -Т. 39, N 5. -C. 595-620.
  5. Миндлин С. З. Происхождение, эволюция и миграция генов лекарственной устойчивости/Миндлин С. З., Петрова М. А., Басс И. А., Горленко Ж. М.//Генетика. -2006. -Т. 42, N 11. -С. 1495-1511.
  6. Прозоров А. А. Горизонтальный перенос генов у бактерий: лабораторное моделирование, природные популяции, данные геномики/Прозоров А. А.//Микробиология. -1999. -Т. 68, N 5. -С. 632-646.
  7. Шестаков С. В. Геномика патогенных бактерий/Шестаков С. В.//Вестник РАМН. -2001. -N 10. -С. 18-25.
  8. Шестаков С. В. О ранних этапах биологической эволюции с позиций геномики/Шестаков С. В.//Палеонтол. журнал. -2003. -N 6. -С. 50-57.
  9. Bapteste E. Phylogenetic reconstruction and lateral gene transfer/Bapteste E., Boucher Y., Leigh J., Doolittle W. F.//Trends Microbiol. -2004. -Vol. 12, N 9. -P. 406-411.
  10. Berg O. Evolution of microbial genomes: sequence acquisition and loss/Berg O., Kurland C. G.//Mol. Biol. Evol. -2002. -Vol. 19. -P. 2265-2276.
  11. Bordenstein S. R. Mobile DNA in obligate intracellular bacteria/Bordenstein S. R., Reznikoff W. S.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 688-699.
  12. Boucher Y. Microbial genomes: dealing with diversity/Boucher Y., Nesbo C. L., Doolittle W. F.//Current Opin. Microbiol. -2001. -Vol. 4 -P. 285-289.
  13. Brown J. R. Ancient horizontal gene transfer/Brown J. R.//Nature Rev. Genet. -2003. -Vol. 4. -P. 121 -132.
  14. Burris V. Conjugative transposons: the tip of the iceberg/Burris V., Pavlovich G., Decaris B., Guedon G.//Mol. Microbiol. -2002. -Vol. 46, N 3. -P. 601-610.
  15. Canchaya C. Phage as agents of lateral gene transfer/Canchaya C., Fomous G., Chibani-Chennoufi S. [et al.]//Current Opin. Microbiol. -2003. -Vol. 6. -P. 417-424.
  16. Chen I. DNA uptake during natural transformation/Chen I., Dubnau D.//Nature Rev. Microbiol. -2004. -Vol. 2. -P. 241-249.
  17. Chiley P. M. Distribution of the ArdA family of antirestrictiongeneonconjugative plasmids/Chiley P.M., Wilkins B. M.//Microbiology. -1995. -Vol. 141. -P. 2157-2164.
  18. Clewell D. B. Enterococcal plasmid transfer: sex pheromones, transfer origins, relaxases, and the Staphylococcus aureus issue/Clewell D. B., Francia M. V., Flannagan S. E., An F. Y.//Plasmid. -2002. -Vol. 48. -P. 2002.
  19. Daubin V. Phylogenetics and cohesion of bacterial genomes/Daubin V., Moran N. A., Ochman H.//Science. -2003. -Vol. 301. -P. 829-832.
  20. Daubin V., Legat E., Perriere G. The source of laterally transferredgenesinbacterialgenomes//GenomeBiol.-2003. -Vol. 4. -P. R57.
  21. Dionisio F. Plasmids spread very fast in heterogeneous bacterial communities/Dionisio F., Matic J., Radman M., Rodrigues O. R.//Genetics. -2002. -Vol. 162. -P. 1525-1532.
  22. Dobrindt U. Genomic islands in pathogenic and environmental microorganisms./Dobrindt U., Hochhut B., Hentschel U., Hacker J.//Nature Rev. Microbiol. -2004. -Vol. 2. -P. 414-424.
  23. Doolittle W. F. Lateral genomics/Doolittle W. F.//Trends Cell Biol. -1999. -N 9. -P. M5-M9.
  24. Feil E. J. Recombination within natural populations of pathogenic bacteria: short-term empirical estimates and long-term phylogenic consequences/Feil E. J., Holmes E. C., Bessen d. E. et al.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2001. -Vol. 98, N 1. -P. 182-187.
  25. Field D. Databases and software for the comparative genomic study of collection of genomes/Field D., Feil E., Wilson G.//Microbiology. -2005. -Vol. 151. -P. 2125-2132.
  26. Frost L. S. Mobile genetic elements: the agents of open source evolution/Frost L. S., Leplae R., Summers A. O., Toussiant A.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 722-732.
  27. Funchain P. Amplification of mutator cells in a population as a result of horizontal transfer/Funchain P., Yeumg A., Stewart J. et al.//J. Bacteriol. -2001. -Vol. 183. -P. 3737-3741.
  28. Gevers D. Re-evaluating prokaryotic species/Gevers D., Cohan F. M., Lawrence J. G. et al.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 733-739.
  29. Gogarten J. P. Prokaryotic evolution in light of gene transfer/Gogarten J. P., Doolitle W. F., Lawrence J. G.//Molec. Biol. Evol. -2002. Vol. 19, N 12. -P. 2226-2338.
  30. Gogarten J. P. Gorizontal gene transfer, genome innovation and evolution/Gogarten J. P., Townsend J. T.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 679-687.
  31. Gophna U. Weighted genome trees: refinements and application/Gophna U., Doolittle W. F., Charlebois R. L.//J. Bacteriol. -2005. -Vol. 187, N 4. -P. 1305-1316.
  32. Eisen J. A. Horizontal gene transfer among microbial genomes: new insights from complete genome analysis/Eisen J. A.//Current Opin. Genet. Dev. -2000. -Vol. 10. -P. 606-611.
  33. Grohmann E. Conjugative plasmid transfer in gram-positive bacteria/Grohmann E., Math G.,Espinosa M.//Microbiol. Biol. Rev. -2003. -Vol. 67. -P. 277-301.
  34. Hacker J. Pathogenecity islands and the evolution of microbes/Hacker J., Kaper J. B.//Annu Rev. Microbiol. -2000 -Vol. 54. -P. 641-679.
  35. Hacker J. Ecological fitness, genomic islands and bacterial pathogenecity/Hacker J., Corniel E.//EMBO Reports. -2001. -Vol. 2, N 5. -P. 376-381.
  36. Hanage W. P. Fuzzy species among recombinogenic bacteria/Hanage W. P., Fraser C., Spratt B. G.//BMC Biology. -2005. -Vol. 3. -P. 1-7.
  37. Holmes J. A. The gene cassette metagenome is a basic resource for bacterial genome evolution/Holmes J. A., Gilling M. R., Nield B. S.//Environ.Microbiol. -2003. -Vol. 5, N 5. -P. 383-394.
  38. Huson D. H. Phylogenetic trees based on gene content./Huson D. H., Steel M.//Bioinformatics. -2004. -Vol. 20. -P. 2044-2049.
  39. Ikeda H. Illigitimate recombination mediated by doublestrand breaks and end-joining in Escherichia coli/Ikeda H., Shiraishi K., Ogata Y.//Advan. Biophys. -2004. -Vol. 38. -P. 3-20.
  40. Jain R. Horizontal gene transfer among genomes: the complexity hypothesis/Jain R., Rivera M. C.,Lake J. A.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. -Vol. 96. -P. 3801-3806.
  41. Jain R. Horizontal gene transfer accelerates genome innovation and evolution/Jain R., Rivera M. C.,Moore J. E., Lake J. A.//Mol. Biol. Evol. -2003. -Vol. 20. -P. 1598-1602.
  42. Jeltsch A. Maintenance of species identity and controlling speciation of bacteria: a new function for restriction/modification systems/Jeltsch A.//Gene. -2003. -Vol. 317. -P. 13-16.
  43. Kobayashi I. Behaviour of restriction-modification systems as selfish mobile elements and their impact on genome evolution/Kobayashi I.//Nucleic Acids Res. -2001. -Vol. 29. -P. 3742-3756.
  44. Koonin E. V. Horizontal gene transfer in prokaryotes. Quantification and classification/Koonin E. V., Makarova K. S., Arvind L.//Annu. Rev. Microbiol. -2001. -Vol. 55. -P. 709-742.
  45. Kunin V. The balance of driving forces during genome evolution in prokaryotes/Kunin V., Ouzounis C. A.//Genome Res. -2003. Vol. 13. -P. 1589-1594.
  46. Kurland C. G. What tangled web: barriers to rampant horizontal gene transfer/Kurland C. G.//BioEssays. -2005. -Vol. 27. -P. 741 -747.
  47. Kurland C. G. Horizontal gene transfer: a critical view/Kurland C. G., Canback B., Berg J. G.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2003. -Vol. 100, N 17. -P. 9658-9662.
  48. Lan R. Intraspecies variation in bacterial genomes: the need for a species genome concept/Lan R., Reeves P. R.//Trends Microbiol. -2000. -Vol. 8. -P. 396-401.
  49. Lawrence J.G. Genetransfer in bacteria: speciation with out species/Lawrence J.G.//Theor. Popul. Biol. -2002.-Vol. 61. -P. 449-460.
  50. Lawrence J. G. Amelioration of bacterial genomes: rates of change and exchange/Lawrence J. G., Ochman H.//J. Mol. Evol. -1997. -Vol. 44. -P. 383-397.
  51. Lindell D. Transfer of photosynthesis genes to and from Prochlorococcus viruses/Lindell D., Sullivan M. B., Johnson Z. I. [et al.]//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2004. -Vol. 101. -P. 11013-11018.
  52. Lorenz M. G. Bacterial gene transfer by natural genetic transformation in the invironment/Lorenz M. G., Wackernagel W.//Microbiol. Rev. -1994. -Vol. 58. -P. 563-602.
  53. Majewski J. Barriers to genetic exchange between bacterialspecies: Streptococcus pneumoniae transformation/Majewski J., Zawadski P., Plickerill P. [et al.]//J. Bacteriol. -2000. -Vol. 182. -P. 1016-1023.
  54. Mann N. H. Phages in marine cyanobacterial picophytoplancton/Mann N. H.//FEMS Microbiol. Rev. -2003. -Vol. 27, N 1. -P. 17-34.
  55. Martin W. Mosaic bacterial chromosome: a challenge en route to a tree of genomes/Martin W.//BioEssays. -1999. -Vol. 21. -P. 99 -104.
  56. Matic I. Horizontal transfer of mismatch repair genes and the variable speed of bacterial evolution/Matic I., Tenaillon O., Lecointre G. [et al.]//In: Horizontal Gene Transfer. -2002. -Academ. Press. P. 147-155.
  57. McAdams H. H. The evolution of genetic regulatory systems in bacteria/McAdams H. H., Srinivasan B. S., Arkin A. P.//Nature Rev. Genet. -2004. -Vol. 5. -P. 169-178.
  58. Meier P. Mechanisms of homology-facilitated illegitimate recombination for foreign DNA acquisition in transformable Pseudomonas stutzeri/Meier P., Wackernagel W.//Mol. Microbiol. -2003.-Vol. 48.-P. 1107-1118.
  59. Moran N. A. Microbial minimalism: genome reduction in bacterial pathogens/Moran N. A.//Cell. -2002. -Vol. 108. -P. 583 -586.
  60. Nakamura Y. Biased biological functions of horizontally transferred genes in prokaryotic genomes/Nakamura Y., Itoh T., Matsuda H., Gojobori T.//Nature Genet. -2004. -Vol. 36, N 7. -P. 760-766.
  61. Ochman H. Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation/Ochman H., Lawrence J. C., Groisman A. E.//nature. -2000. -Vol. 405. -P. 299 -304.
  62. Olendzenski L. Horizontal gene transfer: a new taxonomic principle?/Olendzenski L., Zhaxybayeva O., Gogarten J. P.//Horizontal Gene Transfer. -2002. -Acad. Press. -P. 427-435.
  63. Piel J. Evidence for a symbiosis island involved in horizontal acquisition of pederin biosynthetic capabilities by the bacterial symbiont of Paederus beetles/Piel J., Hofer Y., Hui D.//J. Bacteriol. -2004. -Vol. 186. -P. 1280-1286.
  64. Prudhomme M. Homologous recombination at the border: insertion-deletion and the trapping of foreign DNA in Streptococcus pneumoniae/Prudhomme M., Libante V., Claverys J. P.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -2002. -Vol. 99. P. 2100-2105.
  65. Rayssiguer C. The barrier to recombination between Escherichia coli and Salmonella typhimurium is disrupted in mismatch-repair mutants/Rayssiguer C.,Thaler D. C., Radman M.//Nature. -1989. -Vol. 342. -P. 396-401.
  66. Riesenfeld C. S. Metagenomics: genomic analysis of microbial communities/Riesenfeld C. S., Schloss P. D., Handelsman J.//Ann. Rev. Genet. -2004. -Vol. 38. -P. 525-552.
  67. Rowe-Magnus D. A. Integrons: natural tools for bacterial genome evolution/Rowe-Magnus D. A., Mazel D.//Current Opin. Microbiol. -2001. -Vol. 4. -P. 565-569.
  68. Schmidt H. Pathogenicity islands in bacterial pathogenesis/Schmidt H., Hensel M.//Clin. Microbiol. Rev. -2004. -Vol. 17. -P. 14-56.
  69. Schneider D. Dynamics of insertion sequence elements during experimental evolution of bacteria/Schneider D., Lenski R. E.//Research Microbiol. -2004. -Vol. 155. -P. 319-327.
  70. Sorensen S. J. Studyingplasmid horizontal transfer in situ: a critical review/Sorensen S. J., Bailey M., Hansen L. [et al.]//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 5. -P. 700-710.
  71. Thomas C. M. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria/Thomas C. M., Nielsen K. M.//Nature Rev. Microbiol. -2005. -Vol. 3. -P. 711-721.
  72. Top E. M. The role of mobile genetic elements in bacterial adaptation to xenobiotic organic compounds/Top E. M., Springael D.//Current Opin. Biotech. -2003. -Vol. 14. -P. 262-269.
  73. Townsend J. P. Horizontal acquisition of divergent chromosomal DNA in bacteria: effects of mutator phenotypes/Townsend J. P., Nielsen K. M., Fisher D. S. [et al.]//Genetics. -2003. -Vol. 164. -P. 13-21.
  74. Velkov V. V. How environmental factors regulate mutagenesis and gene transfer in microorganisms/Velkov V. V.//J. Biosci. -1999. -Vol. 24. -P 529-559.
  75. Vulic M. Molecular keys to speciation: DNA polymorphism and control of exchange to enterobacteria/Vulic M., Dionisio F., Tazddei F., Radman M.//Proc. Natl. Acad. Sci. USA. -1997. -Vol. 94. -P. 9763-9769.
  76. Wilson G. A. Orphans as taxonomically restricted and ecologically important genes/Wilson G. A., Bertrand N., Patel Y.//Microbiology. -2005. -Vol. 151. -P. 2499-2501.
  77. Woese C. R. Interpreting the universal phylogenic tree/Woese C. R.//Proc. Natl. Acad. Sci. US. -2000. -Vol. 97. -P. 8392-8396.
  78. Zhaxybayeva O. Genome mosaicism and organismal lineages/Zhaxybayeva O., Lapierre P., Gogarten J. P.//Trends Genet. -2004. -Vol. 20, N 5. -P. 254-260.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Шестаков С.В., 2007

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 65617 от 04.05.2016.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах