Представления о горизонтальном переносе генов на рубеже XX и XXI веков

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Горизонтальный перенос генов (HGT) является ключевым процессом в эволюции прокариотических, так и, возможно, эукариотических организмов, который разрешает обмен генетическим материалом между различными видами и группами организмов, минуя традиционные пути наследования. В результате исследований на рубеже XX и XXI вв. появились данные, подтверждающие, что HGT не только влияет на диверсификацию и адаптацию прокариот, но и играет определенную роль в эволюции сложных эукариотических форм жизни. В данном миниобзоре рассматриваются различные механизмы HGT, такие как трансформация, трансдукция и конъюгация среди прокариот, а также специфические примеры HGT у эукариот. Обсуждаются новые методы обнаружения HGT, включая молекулярные подходы, основанные на секвенировании геномов и анализе их эволюционной истории. При этом акцентируется внимание на структуре сети HGT и роли микроорганизмов-хабов в этом процессе. Обозначены потенциальные применения HGT в биотехнологии и важные вопросы, касающиеся потенциальных рисков для здоровья человека. Эта работа подчеркивает необходимость дальнейшего изучения механизма HGT и его влияния на геномную эволюцию, включая возможности и ограничения, которые он создает для адаптации организмов к изменениям окружающей среды.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Ю. Щит

Государственный научный центр прикладной микробиологии и биотехнологии

Email: kuznet61@gmail.com
Россия, 142279, Московская область, Серпухов, пос. Оболенск

А. В. Кузнецов

Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского Российской академии наук; Севастопольский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: kuznet61@gmail.com
Россия, 299011, Севастополь; 299053, Севастополь

Список литературы

  1. Прозоров А.А. Генетическая трансформация и трансфекция. М.: Наука, 1980. 248 с.
  2. Грант В. Эволюционный процесс. Критический обзор эволюционной теории. М.: Мир, 1991. 488 с.
  3. Хесин Р.Б. Непостоянство генома. М.: Наука, 1985. 472 с.
  4. Koonin E.V., Dolja V.V., Krupovic M., Kuhn J.H. Viruses defined by the position of the virosphere within the replicator space // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2021. V. 85. № 4. https://doi.org/10.1128/MMBR.00193-20
  5. Koonin E.V., Martin W. On the origin of genomes and cells within inorganic compartments // Trends Genet. 2005. V. 21. № 12. P. 647–654. https://doi.org/10.1016/j.tig.2005.09.006
  6. Forterre P. The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitions // Virus Res. 2006. V. 117. № 1. P. 5–16. https://doi.org/10.1016/j.virusres.2006.01.010
  7. Koonin E.V. On the origin of cells and viruses: primordial virus world scenario // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2009. V. 1178. № 1. P. 47–64. https://doi.org/10.1073/pnas.1600338113
  8. Koonin E.V. Carl Woese's vision of cellular evolution and the domains of life // RNA Biol. 2014. V. 11. № 3. P. 197–204. https://doi.org/10.4161/rna.27673
  9. Krupovic M., Dolja V.V., Koonin E.V. The LUCA and its complex virome // Nat. Rev. Microbiol. 2020. V. 18. № 11. P. 661–670. https://doi.org/10.1038/s41579-020-0408-x
  10. Ravenhall M., Škunca N., Lassalle F., Dessimoz C. Inferring horizontal gene transfer // PLoS Comput. Biol. 2015. V. 11. № 5. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004095
  11. Nagies F.S.P., Brueckner J., Tria F.D.K., Martin W.F. A spectrum of verticality across genes // PLoS Genet. 2020. V. 16. № 11. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1009200
  12. Kunin V., Ouzounis C.A. The balance of driving forces during genome evolution in prokaryotes // Genome Res. 2003. V. 13. № 7. P. 1589–1594. https://doi.org/10.1101/gr.1092603
  13. Shapiro B.J., Leducq J.B., Mallet J. What is speciation? // PLoS Genet. 2016. V. 12. № 3. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1005860
  14. Zaneveld J.R., Nemergut D.R., Knight R. Are all horizontal gene transfers created equal? Prospects for mechanism-based studies of HGT patterns // Microbiology (Reading). 2008. V. 154. Pt. 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1099/mic.0.2007/011833-0
  15. Hirt R.P., Alsmark C., Embley T.M. Lateral gene transfers and the origins of the eukaryote proteome: a view from microbial parasites // Curr. Opin. Microbiol. 2015. V. 23. P. 155–162. https://doi.org/10.1016/j.mib.2014.11.018
  16. Soucy S.M., Huang J., Gogarten J.P. Horizontal gene transfer: Building the web of life // Nat. Rev. Genet. 2015. V. 16. № 8. P. 472–482. https://doi.org/10.1038/nrg3962
  17. Dunning Hotopp J.C., Clark M.E., Oliveira D.C. et al. Widespread lateral gene transfer from intracellular bacteria to multicellular eukaryotes // Science. 2007. V. 317. № 5845. P. 1753–1756. https://doi.org/10.1126/science.1142490
  18. Warren W.C., Hillier L.W., Marshall Graves J.A. et al. Genome analysis of the platypus reveals unique signatures of evolution // Nature. 2008. V. 453. № 7192. P. 175–183. https://doi.org/10.1038/nature06936
  19. Gillings M.R. Lateral gene transfer, bacterial genome evolution, and the Anthropocene // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2017. V. 1389. № 1. P. 20–36. https://doi.org/10.1111/nyas.13213
  20. Dmitrijeva M., Tackmann J., Matias Rodrigues J.F. et al. A global survey of prokaryotic genomes reveals the eco-evolutionary pressures driving horizontal gene transfer // Nat. Ecol. Evol. 2024. V. 8. P. 986–998. https://doi.org/10.1038/s41559-024-02357-0
  21. Ochman H., Lerat E., Daubin V. Examining bacterial species under the specter of gene transfer and exchange // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2005. V. 102. Suppl. 1. P. 6595–6599. https://doi.org/10.1073/pnas.0502035102
  22. Wiedenbeck J., Cohan F.M. Origins of bacterial diversity through horizontal genetic transfer and adaptation to new ecological niches // FEMS Microbiol. Rev. 2011. V. 35. № 5. P. 957–976. https://doi.org/ 10.1111/j.1574-6976.2011.00292.x
  23. Toussaint A., Chandler M. Prokaryote genome fluidity: Toward a system approach of the mobilome // Methods Mol. Biol. 2012. V. 804. P. 57–80. https://doi.org/10.1007/978-1-61779-361-5_4
  24. Kunin V., Goldovsky L., Darzentas N., Ouzounis C.A. The net of life: Reconstructing the microbial phylogenetic network // Genome Res. 2005. V. 15. № 7. P. 954–959. https://doi.org/10.1101/gr.3666505
  25. Faguy D.M. Lateral gene transfer (LGT) between Archaea and Escherichia coli is a contributor to the emergence of novel infectious disease // BMC Infect. Dis. 2003. V. 3. P. 13. https://doi.org/10.1186/1471-2334-3-13
  26. Rest J.S., Mindell D.P. Retroids in Archaea: Рhylogeny and lateral origins // Mol. Biol. Evol. 2003. V. 20. № 7. P. 1134–1142. https://doi.org/10.1093/molbev/msg135
  27. Leu A.O., McIlroy S.J., Ye J. et al. Lateral gene transfer drives metabolic flexibility in the anaerobic methane-oxidizing archaeal family methanoperedenaceae // mBio. 2020. V. 11. № 3. https://doi.org/10.1128/mBio.01325-20
  28. Nelson K.E., Clayton R.A., Gill S.R. et al. Evidence for lateral gene transfer between Archaea and bacteria from genome sequence of Thermotoga maritima // Nature. 1999. V. 399. № 6734. P. 323–329. https://doi.org/ 10.1038/20601
  29. Sieber K.B., Bromley R.E., Dunning Hotopp J.C. Lateral gene transfer between prokaryotes and eukaryotes // Exp. Cell. Res. 2017. V. 358. № 2. P. 421–426. https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2017.02.009
  30. Ahmed M.Z., Breinholt J.W., Kawahara A.Y. Evidence for common horizontal transmission of Wolbachia among butterflies and moths // BMC Evol. Biol. 2016. V. 16. № 1. P. 118. https://doi.org/10.1186/s12862-016-0660-x
  31. Sibbald S.J., Eme L., Archibald J.M., Roger A.J. Lateral gene transfer mechanisms and pan-genomes in eukaryotes // Trends Parasitol. 2020. V. 36. № 11. P. 927–941. https://doi.org/10.1016/j.pt.2020.07.014
  32. Van Montagu M., Schell J. The Ti plasmids of Agrobacterium // Curr. Top. Microbiol. Immunol. 1982. V. 96. P. 237–254. https://doi.org/10.1007/978-3-642-68315-2_13
  33. Huang W., Tsai L., Li Y. et al. Widespread of horizontal gene transfer in the human genome // BMC Genomics. 2017. V. 18. № 1. P. 274. https://doi.org/10.1186/s12864-017-3649-y
  34. Li K., Yan F., Duan Z. et al. Widespread of horizontal gene transfer events in eukaryotes // bioRxiv. 2022. P. 1c38. https://doi.org/10.1101/2022.07.26.501571
  35. Danchin E.G. Lateral gene transfer in eukaryotes: tip of the iceberg or of the ice cube? // BMC Biol. 2016. V. 14. № 1. P. 101. https://doi.org/10.1186/s12915-016-0330-x
  36. Martin W.F. Too much eukaryote LGT // BioEssays. 2017. V. 39. № 12. https://doi.org/10.1002/bies.201700115
  37. Leger M.M., Eme L., Stairs C.W., Roger A.J. Demystifying eukaryote lateral gene transfer // BioEssays. 2018. V. 40. № 5. https://doi.org/10.1002/bies.201700242
  38. Cote-L'Heureux A., Maurer-Alcalá X.X., Katz L.A. Old genes in new places: A taxon-rich analysis of interdomain lateral gene transfer events // PLoS Genet. 2022. V. 18. № 6. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1010239
  39. Hibdige S.G.S., Raimondeau P., Christin P.A., Dunning L.T. Widespread lateral gene transfer among grasses // New Phytol. 2021. V. 230. № 6. P. 2474–2486. https://doi.org/ 10.1111/nph.17328
  40. Raimondeau P., Bianconi M.E., Pereira L. et al. Lateral gene transfer generates accessory genes that accumulate at different rates within a grass lineage // New Phytol. 2023. V. 240. № 5. P. 2072–2084. https://doi.org/10.1111/nph.19272
  41. Marti H., Suchland R.J., Rockey D.D. The impact of lateral gene transfer in Chlamydia // Front. Cell Infect. Microbiol. 2022. V. 12. https://doi.org/10.3389/fcimb.2022.861899
  42. Husnik F., Nikoh N., Koga R. et al. Horizontal gene transfer from diverse bacteria to an insect genome enables a tripartite nested mealybug symbiosis // Cell. 2013. V. 153. № 7. P. 1567–1578. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.05.040
  43. Artamonova I.I., Lappi T., Zudina L., Mushegian A.R. Prokaryotic genes in eukaryotic genome sequences: When to infer horizontal gene transfer and when to suspect an actual microbe // Environ. Microbiol. 2015. V. 17. № 7. P. 2203–2208. https://doi.org/10.1111/1462-2920.12854
  44. Ku C., Martin W.F. A natural barrier to lateral gene transfer from prokaryotes to eukaryotes revealed from genomes: The 70% rule // BMC Biol. 2016. V. 14. № 1. P. 89. https://doi.org/10.1186/s12915-016-0315-9
  45. Koutsovoulos G., Kumar S., Laetsch D.R. et al. No evidence for extensive horizontal gene transfer in the genome of the tardigrade Hypsibius dujardini // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2016. V. 113. № 18. P. 5053–5058. https://doi.org/10.1073/pnas.1525838113
  46. Douglas G.M., Langille M.G.I. Current and promising approaches to identify horizontal gene transfer events in metagenomes // Genome Biol. Evol. 2019. V. 11. № 10. P. 2750–2766. https://doi.org/10.1093/gbe/evz184
  47. Sheinman M., Arkhipova K., Arndt P.F. et al. Identical sequences found in distant genomes reveal frequent horizontal transfer across the bacterial domain // Elife. 2021. V. 10. https://doi.org/10.7554/eLife.62719
  48. Sheinman M., Arndt P.F., Massip F. Modeling the mosaic structure of bacterial genomes to infer their evolutionary history // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2024. V. 121. № 13. https://doi.org/10.1073/pnas.2313367121
  49. Серов О.Л. Перенос генов в соматические и половые клетки. Новосибирск: Наука, 1985. 120 с.
  50. Щелкунов С.Н. Клонирование генов. Новосибирск: Наука, 1986. 228 с.
  51. Щелкунов С.Н. Конструирование гибридных молекул ДНК. Новосибирск: Наука, 1987. 168 с.
  52. Газарян К.Г. Микроинъекция генов в зиготы и эмбрионы: интеграция в геном и генетические эффекты // Успехи соврем. генетики. 1985. Т. 75. № 13. С. 32–36.
  53. Giordano R., Magnano A.R., Zaccagnini G. et al. Reverse transcriptase activity in mature spermatozoa of mouse // J. Cell Biol. 2000. V. 148. № 6. P. 1107–1113. https://doi.org/10.1083/jcb.148.6.1107
  54. Sciamanna I., Barberi L., Martire A. et al. Sperm endogenous reverse transcriptase as mediator of new genetic information // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003. V. 312. № 4. P. 1039–1046. https://doi.org/org/10.1016/j.bbrc.2003.11.024
  55. Dinger M.E., Mercer T.R., Mattick J.S. RNAs as extracellular signaling molecules // J. Mol. Endocrinol. 2008. V. 40. № 4. P. 151–159. https://doi.org/10.1677/JME-07-0160
  56. Fire A., Xu S., Montgomery M.K. et al. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans // Nature. 1998. V. 391. P. 806–811. https://doi.org/10.1038/35888
  57. Гершензон С.М. Пассивный перенос экзогенных молекул ДНК или синтетических полинуклеотидов сперматозоидами Drosophila в оплодотворенные яйца // Цитология и генетика. 1996. Т. 30(1). С. 5–8.
  58. Lavitrano M., Giovannoni R., Cerrito M.G. Methods for sperm-mediated gene transfer // Meth. Mol. Biol. 2013. V. 927. P. 519–529. https://doi.org/ 10.1007/978-1-62703-038-0_44
  59. García-Vázquez F.A., Ruiz S., Grullón L.A. et al. Factors affecting porcine sperm mediated gene transfer // Res. Veterinary Sci. 2011. V. 91. № 3. P. 446–453. https://doi.org/10.1016/j.rvsc.2010.09.015
  60. Lavitrano M., Busnelli M., Cerrito M.G. et al. Sperm-mediated gene transfer // Reprod., Fertility and Development. 2006. V. 18. P. 19–23. https://doi.org/10.1071/rd05124
  61. Кузнецов А.В., Кузнецова И.В. Подвижный вектор. М., 1998. 189 с.
  62. Smith K., Spadafora C. Sperm-mediated gene transfer: Аpplications and implications // BioEssays. 2005. V. 27. № 5. P. 551–562. https://doi.org/10.1002/bies.20211
  63. Kuznetsov A.V., Kuznetsova I.V., Schit I.Y. DNA interaction with rabbit sperm cells and its transfer into ova in vitro and in vivo // Mol. Reprod. Dev. 2000. V. 56(2). Suppl. l. P. 292–297. https://doi.org/10.1002/(SICI)1098-2795(200006)56:2+<292::AID-MRD18>3.0.CO;2-Z
  64. Collares T., Campos V.F., de Leon P.M. et al. Transgene transmission in chickens by sperm-mediated gene transfer after seminal plasma removal and exogenous DNA treated with dimethylsulfoxide or N,N-dimethylacetamide // J. Biosciences. 2011. V. 36. № 4. P. 613–620. https://doi.org/10.1007/s12038-011-9098-x
  65. Smith K. Gene therapy: The potential applicability of gene transfer technology to the human germline // Int. J. Med. Sci. 2004. V. 1. № 2. P. 76–91. https://doi.org/10.7150/ijms.1.76
  66. Bocharova E.N., Zavalishina L.E., Bragina E.E. et al. Detection of herpes simplex virus genomic DNA in spermatozoa of patients with fertility disorders by in situ hybridization // Dokl. Biol. Sci. 2007. V. 412. P. 82–86. https://doi.org/10.1134/s0012496607010279
  67. Gillespie J.J., Beier M.S., Rahman M.S., Ammerman N.C. Plasmids and rickettsial evolution: insight from rickettsia felis // PLoS One. 2007. V. 2. № 3. https://doi.org/ 10.1371/journal.pone.0000266
  68. Wan W., Li D., Li D., Jiao J. Advances in genetic manipulation of Chlamydia trachomatis // Front. Immunol. 2023. V. 14. https://doi.org/10.3389/fimmu.2023.1209879
  69. Stover C.K., Pham X.Q., Erwin A.L. et al. Complete genome sequence of Pseudomonas aeruginosa PAO1, an opportunistic pathogen // Nature. 2000. V. 406. № 6799. P. 959–964. https://doi.org/10.1038/35023079
  70. Ogata H., La Scola B., Audic S. et al. Genome sequence of Rickettsia bellii illuminates the role of amoebae in gene exchanges between intracellular pathogens // PLoS Genet. 2006. V. 2. № 5. P. e76. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.0020076
  71. Sano E., Carlson S., Wegley L., Rohwer F. Movement of viruses between biomes // Appl. Environ. Microbiol. 2004. V. 70. № 10. P. 5842–5846. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2003.11.024
  72. Denoeud F., Godfroy O., Cruaud C. et al. Evolutionary genomics of the emergence of brown algae as key components of coastal ecosystems // Cell. 2024. V. 187. № 24. P. 6943–6965. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.049
  73. Popa O., Dagan T. Trends and barriers to lateral gene transfer in prokaryotes // Curr. Opin. Microbiol. 2011. V. 14. № 5. P. 615–623. https://doi.org/10.1016/j.mib.2011.07.027
  74. Guan Z., Shi S., Diaby M. et al. Horizontal transfer of Buster transposons across multiple phyla and classes of animals // Mol. Phylogenet. Evol. 2022. V. 173. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2022.107506
  75. Kuznetsov A. DNA interaction with sperm cells: ODE model // BMC Systems Biology. 2007. V. 1. Suppl. 1. P. P42. https://doi.org/10.1186/1752-0509-1-S1-P42
  76. Ragan M.A., Beiko R.G. Lateral genetic transfer: open issues // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2009. V. 364. № 1527. P. 2241–2251. https://doi.org/10.1098/rstb.2009.0031
  77. Emamalipour M., Seidi K., Zununi Vahed S. et al. Horizontal gene transfer: From evolutionary flexibility to disease progression // Front. Cell Dev. Biol. 2020. V. 8. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.00229
  78. Gladyshev E.A., Meselson M., Arkhipova I.R. Massive horizontal gene transfer in bdelloid rotifers // Science. 2008. V. 320. № 5880. P. 1210–1213. https://doi.org/10.1126/science.1156407
  79. Eyres I., Boschetti C., Crisp A. et al. Horizontal gene transfer in bdelloid rotifers is ancient, ongoing and more frequent in species from desiccating habitats // BMC Biol. 2015. V. 13. P. 90. https://doi.org/10.1186/s12915-015-0202-9
  80. Debortoli N., Li X., Eyres I. et al. Genetic exchange among bdelloid rotifers is more likely due to horizontal gene transfer than to meiotic sex // Curr. Biol. 2016. V. 26. № 6. P. 723–732. https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.01.031
  81. Park J.C., Kim D.H., Kim M.S. et al. The genome of the euryhaline rotifer Brachionus paranguensis: Potential use in molecular ecotoxicology // Comp. Biochem. Physiol. Part D. Genomics Proteomics. 2021. V. 39. https://doi.org/10.1016/j.cbd.2021.100836

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025