Bakteriekonjugation – plasmidöverföring och horisontell genöverföring

Bakteriekonjugation – hur plasmider sprids och möjliggör horisontell genöverföring, inklusive spridning av antibiotikaresistens och nya metabola förmågor.

Bakteriekonjugering är överföring av genetiskt material mellan bakterieceller genom direkt kontakt mellan celler eller genom en broliknande förbindelse mellan två celler.

Konjugering är en mekanism för horisontell genöverföring, liksom transformation och transduktion, även om dessa två andra mekanismer inte inbegriper cell-till-cell-kontakt.

Bakteriekonjugering upptäcktes av Nobelpristagarna Joshua Lederberg och Edward Tatum. De visade att bakterien Escherichia coli gick in i en sexuell fas under vilken den kunde dela med sig av genetisk information.

Bakteriekonjugering betraktas ofta felaktigt som en motsvarighet till sexuell reproduktion, eftersom den innebär utbyte av genetiskt material. Under konjugationen tillhandahåller donatorcellen ett konjugativt eller mobiliserbart genetiskt element som oftast är en plasmid eller ett transposon. De flesta konjugativa plasmider har system som säkerställer att mottagarcellen inte redan innehåller ett liknande element.

Den genetiska information som överförs är ofta fördelaktig för mottagaren. Fördelarna kan vara antibiotikaresistens, tolerans mot xenobiotika eller förmågan att använda nya metaboliter. Sådana fördelaktiga plasmider kan betraktas som bakteriella endosymbionter. Andra element kan dock betraktas som bakteriella parasiter och konjugation som en mekanism som utvecklats av dem för att möjliggöra deras spridning.

Hur konjugation går till – mekanistisk översikt

Konjugation är en flerstegsprocess som ofta innefattar följande komponenter och steg:

• Pilus/adhesion: Hos många gramnegativa bakterier bildas en sexuell pilus (fimbrium) från donatorn som fäster vid mottagaren och drar cellerna nära varandra. Grampositiva bakterier saknar ofta långa pili och använder i stället ytproteiner som ger nära kontakt och aggregationsfaktorer.
• Relaxas och oriT: Ett speciellt enzym kallat relaxas känner igen och klyver DNA vid en överföringsstartplats (oriT) på plasmiden. Relaxaset förblir ofta bundet vid DNA-ändan som överförs.
• Transport via sekretion: DNA överförs genom ett typ IV-sekretionssystem (T4SS) eller liknande transportkanal som drivs av konjugativa gener (t.ex. tra-gener på F-plasmiden).
• Rolling-circle-replikation: Under överföringen syntetiseras en komplementär sträng i både donator- och mottagarcellen, ofta via en rolling-circle-mekanism, så att båda cellerna efteråt har en dubbelsträngad plasmid.

Typer av konjugativa element

• Konjugativa plasmider: Självständiga, cirkulära DNA-molekyler som kodar för allt som krävs för överföring (t.ex. F-plasmiden och många R-plasmider som bär antibiotikaresistens).
• Mobiliserbara plasmider: Saknar kompletta transfergensatser men kan överföras om en konjugativ plasmid finns i samma cell och tillhandahåller överföringsfunktionerna trans.
• Konjugativa transposoner och ICEs (integrative and conjugative elements): Dessa element kan integrera i kromosomen och senare excidera och spridas mellan celler via konjugation.

Variation mellan bakteriegrupper

Konjugation skiljer sig mellan gramnegativa och grampositiva bakterier. Gramnegativa utnyttjar ofta pili och T4SS medan många grampositiva förlitar sig på sekretionssystem med ytaggregationsproteiner och sex-faktorer. Vissa bakterier (t.ex. Agrobacterium tumefaciens) använder en typ IV-liknande mekanism för att överföra DNA till växtceller, vilket visar hur flexibel konjugationsmaskineriet kan vara.

Reglering, restriktioner och barriärer

• Inkompatibilitet: Plasmider tillhörande samma inkongruensgrupp kan konkurrera, vilket hindrar stabil samexistens i en cell.
• Entry exclusion / fertility inhibition: Många konjugativa plasmider förhindrar att liknande element kommer in i en cell som redan har dem.
• Cellulära försvarssystem: Restriktions-modifikationssystem, CRISPR/Cas och andra immunsvar kan begränsa framgångsrik etablering av frammande DNA.
• Miljöfaktorer: Biofilmer och hög celltäthet främjar konjugation, medan ogynnsamma förhållanden kan hämma den.

Klinisk och ekologisk betydelse

Konjugation är en central drivkraft för spridning av antibiotikaresistens i kliniska miljöer. R-plasmider som bär flera resistensgener kan snabbt spridas mellan olika bakteriearter. I miljön bidrar konjugation till bakteriers anpassning genom spridning av genor för nedbrytning av föroreningar, metabolism av nya substrat och virulensfaktorer.

Förebyggande och övervakning

• Antibiotikastyrning: Rationell användning av antibiotika minskar selektionstryck för resistensplasmider.
• Hygien och infektionskontroll: Sjukvårdsrutiner som begränsar spridning av bärare minskar möjligheten för horisontell överföring.
• Molekylär övervakning: Sekvensering och plasmidtypning hjälper att spåra spridningsvägar och upptäcka framväxande resistenta kloner.

Laboratorieanvändning

Konjugation används i forskning och bioteknik för att introducera plasmider i olika bakteriestammar (mating assays), för att skapa genbibliotek, och som verktyg i genetisk manipulation. Mobiliserbara vektorer gör det möjligt att sprida önskat DNA under kontrollerade villkor.

Sammanfattning

Bakteriekonjugation är en effektiv och mångsidig lösning för horisontell genöverföring som påverkar evolution, resistensspridning och mikrobiella samhällen. Genom att förstå mekanismer, barriärer och ekologiska konsekvenser kan man bättre hantera dess effekter i både kliniska och miljömässiga sammanhang.

Mekanism

Den grundläggande konjugativa plasmidan är F-plasmidan eller F-faktorn. F-plasmidan är en episom (en plasmid som kan integreras i bakteriekromosomen) med en längd på cirka 100 000 baspar.

Det kan bara finnas en kopia av F-plasmidan i en viss bakterie, antingen fri eller integrerad, och bakterier som har en kopia kallas F-positiva eller F-plus (beteckning F ⁺). Celler som saknar F-plasmider kallas F-negativa eller F-minus (F ^-) och kan fungera som mottagarceller.

Schematisk ritning av bakteriell konjugering. Konjugationsschema 1- Donatorcellen producerar pilus. 2- Pilus fäster vid mottagarcellen och för samman de två cellerna. 3- Den rörliga plasmiden är knäckt och en enkel DNA-sträng överförs sedan till mottagarcellen. 4- Båda cellerna syntetiserar en komplementär sträng för att producera en dubbelsträngad cirkulär plasmid och reproducerar också pilier; båda cellerna är nu livskraftiga donatorer.

Frågor och svar

F: Vad är bakteriekonjugering?

F: Vilka är de andra mekanismerna för horisontell genöverföring?

F: Vem upptäckte bakteriell konjugering?

F: Vad visade Lederberg och Tatum om Escherichia coli under konjugering?

F: Vad tillhandahåller donatorcellen under konjugationen?

F: Vilka fördelar har den genetiska information som överförs under konjugationen?

F: Hur kan vissa element som överförs under konjugationen betraktas?

Sök med bokstav