Axente de transferencia de xenes

Os axentes de transferencia de xenes ou ATX (ou, en inglés, GTA, de gene transfer agent, sigla que se utilizará neste artigo) son partículas similares a virus que conteñen ADN producidas por algunhas bacterias e arqueas que interveñen na transferencia horizontal de xenes. En varias liñaxes de bacterias e arqueas orixináronse distintos tipos destes axentes de transferencia de xenes de forma independente a partir de virus. Estes procariotas producen partículas de axentes de transferencia de xenes que conteñen segmentos curtos do ADN presente na célula. Unha vez que as partículas se liberan da célula que as produce, poden adherirse a células relacionadas e inxectar o seu ADN no seu citoplasma. Este ADN pode despois converterse en parte do xenoma da célula receptora. Descubrimento dos axentes de transferencia de xenes
O primeito sistema GTA descubriuse en 1974, cando cultivos mesturados de cepas de Rhodobacter capsulatus producían unha alta frecuencia de células con novas combinacións de xenes. O factor responsable era distinto dos mecanismos xa coñecidos de transferencia de xenes por ser independente do contacto coas células, insensible á desoxirribonuclease e non estar asociado coa produción de fagos. Debido á función que se lle supoñía foron denominados axentes de transferencia de xenes ou GTA (polas súas siglas en inglés), agora RcGTA. Máis recentemente descubríronse outros sistemas de transferencia de xenes ao incubar medio de cultivo filtrado (libre de células) cunha cepa xeneticamente distinta. Xenes GTA e evolución
Os xenes que especifican os GTA derivan de ADN de bacteriófagos (fagos) que se integrou no cromosoma do hóspede. Ditos profagos adoitan adquirir mutacións que os fan defectivos e incapaces de producir partículas de fagos. Moitos xenomas bacterianos conteñen un ou máis profagos defectivos que sufriron mutacións e delecións máis ou menos grandes. Os axentes de transferencia de xenes, como profagos defectivos, orixínanse por mutacións de profagos, pero conservan xenes funcionais para os compoñentes da cabeza e cola da partícula do fago (xenes estruturais) e os xenes para o empaquetado do ADN. Os xenes do fago que especifican a súa regulación e a replicación do ADN foron normalmente eliminados, e a expresión da agrupación ou cluster de xenes estruturais está baixo o control de sistemas regulatorios celulares. Adoitan estar presentes tamén xenes adicionais que contribúen á produción ou captación de GTA e están situados noutros lugares do cromosoma. Algúns destes xenes teñen funcións regulatorias e outros contribúen directamente á produción de GTA (por exemplo os xenes de lise derivados de fagos) ou á captación e recombinación (por exemplo a produción de cápsulas na superficie celular e proteínas de transporte de ADN). Estes xenes asociados a GTA están a miúdo baixo regulación coordinada co cluster de xenes GTA principal. As proteínas de lise celular derivadas de fagos (holinas e endolisinas) debilitan despois a parede celular e a membrana celular, o que permite que a célula explote e libere as partículas GTA. O número de particulas GTA producidas por cada célula non se coñece.
Algúns sistemas GTA parecen ser adicións recentes aos xenomas do hóspede, mais outros levan nos seus hóspedes moitos millóns de anos. Nos casos nos que se fixeron estudos de diverxencia de secuencias (análises dN/dS), observouse que os xenes foron mantidos nas células por selección natural da función proteica (é dicir, as versións defectivas están sendo eliminadas).
Porén, a natureza desta selección non está clara. Aínda que o descubrimento dos GTA asumía que a función destas partículas era a transferencia de xenes, os beneficios que se supón produce a transferencia de xenes están asociados cun custo substancial para a poboación. A maioría destes custos orixínanse porque as células produtoras de GTA deben sufrir lise (explotan) para liberar as súas partículas GTA, pero hai tamén custos xenéticos asociados con facer novas combinacións de xenes, porque a maioría das novas combinacións normalmente serán menos apropiadas que a combinación orixinal. Unha explicación alternativa é que os xenes GTA persisten porque os GTA son parasitos xenéticos que se espallan de maneira infecciosa a novas células. Porén, isto está descartado porque as partículas GTA son tipicamente demasiado pequenas para conter os xenes que as codifican. Por exemplo, o principal cluster RcGTA (véxase máis adiante) ten unha lonxitude de 14 kb, pero as partículas RcGTA poden conter como máximo 4–5 kb de ADN. Non se fixeron cribados da maioría das bacterias para detectar a presenza de GTAs, e seguramente haberá moitos máis sistemas GTA que aínda están sen descubrir. Aínda que os estudos baseadas no ADN de xenes relacionados con GTA atoparon homólogos en moitos xenomas, a súa interpretación está dificultada pola dificultade que hai para distinguir os xenes que codifican GTAs dos xenes ordinarios de profagos. Produción de GTA
En cultivos de laboratorio, a produción de GTAs está normalmente maximizada para condicións de crecemento determinadas que inducen a transcrición de xenes GTA; a maioría dos GTAs non están inducidos polos tratamentos que danan o ADN que causan a indución de moitos profagos. Mesmo en condicións de máxima indución só unha pequena fracción dos cultivos produce GTAs, xeralmente menos do 1%.
Os pasos seguidos na produción de GTA derivan dos pasos na infección de fagos. Os xenes estruturais son os primeiros que se transcriben e traducen e as proteínas ensámblanse formando as cabezas inicialmente baleiras e colas separadas. A maquinaria de empaquetado do ADN empaqueta despois o ADN dentro das cabezas, cortando o ADN cando a cabeza xa está chea, unindo a cola á cabeza e despois pasando o extremo do ADN acabado de crear a unha nova cabeza baleira. A diferenza dos xenes de profagos, os xenes que codifican GTAs non son escindidos do xenoma e replicados para o empaquetamento en partículas GTA. Os dous GTAs mellor estudados (RcGTA e BaGTA) empaquetan aleatoriamente todo o ADN da célula, sen que haxa unha sobrerrepresentación nel de xenes que codifican GTAs. O número de partículas GTA producidas por cada célula non se coñece. Transdución mediada por GTA
Que as partículas GTA orixinen a transferencia do ADN a novos xenomas depende de varios factores. Primeiro, as partículas deben sobrevivir no ambiente natural e sábese pouco disto, aínda que se informou que as partículas son bastante inestables en condicións de laboratorio. Segundo, as partículas deben encontrar células receptoras axeitadas e unirse a elas, xeralmente membros da mesma especie ou de especies moi emparentadas. Igual que os fagos, os GTAs únense a proteínas específicas ou estruturas de carbohidratos da superficie da célula receptora antes de inxectaren o seu ADN. A diferenza dos fagos, os GTAs que foron ben estudados parecen inxectar o seu ADN só a través da primeira das dúas membranas que rodean o citoplasma de moitas células bacterianas receptoras e usan un sistema diferente, derivado da competencia e non derivado de fago, para transportar unha febra do ADN bicatenario a través da membrana interna cara ao citoplasma.
Se a maquinaria de reparación recombinacional da célula encontra unha secuencia cromosómica moi similar á do ADN entrante, substitúe o anterior por este último por medio de recombinación homóloga, mediada pola proteína celular RecA. Se as secuencias non son idénticas isto producirá unha célula cunha nova combinación xenética. Non obstante, se o ADN entrante non está esteitamente relacionado con secuencias de ADN da célula, será degradado e a célula reutilizará os seus nucleótidos para a replicación normal do ADN. Sistemas GTA específicos
RcGTA (Rhodobacter capsulatus)
O GTA producido pola alfaproteobacteria Rhodobacter capsulatus, o cal se denomina RcGTA (GTA de R. capsulatus), é hoxe o GTA mellor estudado. Cando cultivos de laboratorio de R. capsulatus entran en fase estacionaria, algunhas das poboacións bacterianas inducen a produción de RcGTA, e as partículas son seguidamene liberadas da célula por lise celular. A maioría dos xenes estruturais do RcGTA están codificados nun cluster xenético de ~ 15 kb do cromosoma bacteriano. Porén, cómpren tamén outros xenes para o funcionamento do RcGTA, como os xenes necesarios para a lise da célula, que están situados separadamente. As partículas RcGTA conteñen fragmentos de ADN de 4, 5 kb. En R. capsulatus é onde se estudou mellor a regulación da produción de GTA, onde un sistema de percepción do quórum e un CtrA-phosphorelay controlan a expresión non só do cluster xénico principal RcGTA senón tamén dun sistema de lise celular holina/endolisna, das espículas das partículas da cabeza, así como dunha proteína de adhesión (posiblemente fibras da cola) e da cápsula e dos xenes de procesamento do ADN necesarios para a función receptora do RcGTA. Un proceso estocástico non caracterizado limita adicionalmente a expresión do cluster xénico a só 0, 1-3% das células. Clusters similares a RcGTA encontráronse nun gran subclado de alfaproteobacterias, aínda que estes xenes parece que frecuentemente se perderon por deleción. Recentemente, varios membros da orde Rhodobacterales demostraron producir partículas funcionais de tipo RcGTA. Grupos de xenes con homoloxía co RcGTA están presentes nos cromosomas de varios tipos de alfaproteobacterias.
DsGTA (Dinoroseobacter shibae)
Dinoroseobacter shibae, igual que R. capsulatus, é un membro da orde Rhodobacterales, e os seus GTA teñen un antepasado común e moitas características do RcGTA, incluíndo a organización do xene, o empaquetamento de fragmentos curtos de ADN (4, 2 kb) e a regulación por percepción do quórum e por un CtrA-phosphorelay. Porén, a súa maquinaria de empaquetamento do ADN ten moita máis especificidade, e suxeriuse que pode iniciar preferentemente o empaquetado en puntos específicos do xenoma. O ADN do maior cluster xénico de DsGTA é escasamente empaquetado.
BaGTA (Bartonella species)
As especies do xénero Bartonella pertencen ás Alphaproteobacteria igual que R. capsulatus e D. shibae, pero o BaGTA non está relacionado co RcGTA ou o DsGTA. As partículas BaGTA son máis grandes que as RcGTA e conteñen fragmentos de ADN de 14 kb. Aínda que esta capacidade podería en principio permitir que o BaGTA se empaquetase e transmitise o seu cluster GTA de 14 kb, as medidas de cobertura do ADN mostran unha reducida cobertura do cluster. Unha rexión adxacente de alta cobertura pénsase que se debe á replicación local do ADN.
VSH-1 (Brachyspira hyodysenteriae)
Brachyspira é un xénero de espiroquetas no que varias especies teñen clusters de xenes homólogos de GTA. As partículas conteñen fragmentos de ADN de 7, 5 kb. A produción de VSH-1 é estimulada polo axente que dana o ADN mitomicina C e por algúns antibióticos. Está tamén asociado cunha lise celular detectable, o que indica que unha fracción substancial do cultivo pode estar producindo VSH-1.
Dd1 (Desulfovibrion desulfuricans)
Desulfovibrion desulfuricans é unha bacteria do solo pertencente ás deltaproteobacterias. O Dd1 empaqueta fragmentos de ADN de 13, 6 kb.
VTA (Methanococcus voltae)
Methanococcus voltae é unha arquea. O seu GTA transfire fragmentos de ADN de 4, 4 kb, pero non se determinaron máis características.