Eesti Looduse fotov�istlus
2009/9



   Eesti Looduse
   viktoriin


   Eesti Looduse
   fotovõistlus 2012




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
Artiklid EL 2009/9
Horisontaalne geenilekanne

ha ilmsemaks saab bakterite komme vahetada omavahel sageli geene ja terveid geenirhmi. See aitab neil asustada rmuslikke keskkondi, niteks kuumaveeallikaid, paraku ka vitluses inimestega. Esialgu tundub, et muudes eluslooduse harudes tuleb srast geenirnnet ette harvemini vibolla lihtsalt seetttu, et neid on veel vhe uuritud.

Oleme harjunud teadma, et geenid pranduvad vanematelt lastele. Sellist geneetilise info lekannet nimetatakse vertikaalseks. Vertikaalse geenilekande puhul saab flogeneesi kujutada puuna, kus iga liik hargneb oksana vlja temaga lhedases suguluses olevast eellasrhmast (# 1A).

DNA-jrjestusi analsides on aga saanud selgeks, et leidub ka teine vimalus: geenid vivad le kanduda peale jrglaste ka muudele elusolenditele. Sellist geenide lekandeteed nimetatakse horisontaalseks ehk lateraalseks. Kui horisontaalset geenilekannet tuleb evolutsiooni kigus ette vga sageli, siis ei ole flogeneesi enam vimalik kujutada puuna, vaid pigem vrgustikuna (# 1B).

Kuidas horisontaalset geenilekannet kindlaks teha? Geenide DNA-jrjestusi vi geenide kodeeritavate valkude jrjestusi vrreldes saab selgitada, millised geenid vi valgud sarnanevad omavahel sedavrd, et on tenoliselt lhedases suguluses, s.t. evolutsioonis lahknenud alles hiljuti. Vertikaalse geenide liikumise puhul sarnanevad vaadeldava olendi geenid enim tema lhimate sugulaste omadega. Horisontaalset geenilekannet nitab aga see, kui olendi mnd geeni ei leidu tema lhisugulastel, ent see sarnaneb mnes temast kauges evolutsiooniharus leiduva geeniga.
Et teavet genoomide jrjestuste kohta on viimastel aastatel kiiresti kogunenud, saab nd hakata hindama ka horisontaalselt le kandunud geenide sagedust eri olendite ja olendirhmade genoomides.

Kuidas geen horisontaalselt le kandub? Vimalik, et kiki horisontaalse DNA-lekande mehhanisme ei ole veel vlja selgitatud. Praeguste teadmiste phjal vime eristada kahte enam levinud liiki: transformatsioon ja transduktsioon [11].
Transformatsiooni puhul vtab rakk sisse teda mbritsevas keskkonnas n.-. lahtiselt oleva DNA ja liidab selle oma genoomi (# 2A). Aeg-ajalt satub raku keskkonda prilikkusainet niteks siis, kui samas keskkonnas elavad organismid surevad ja purunevad [13].
Transduktsiooni puhul kannavad geene edasi viirused (# 2B). Paljud viirused liidavad rakku sisenedes oma DNA peremeesraku genoomi ning genoomist lahkudes ja rakust vljudes vtavad koos oma genoomiga kaasa ka peremehe geene. Uude peremeesrakku sisenedes on neil niiviisi kaasas eelmise peremehe geenid ja need vivad uues peremehes alles jda ning toimima hakata.
On muidki geenilekande mooduseid. Niteks bakterite puhul konjugatsioon (# 2C), kus DNA liigub hest bakterirakust teise lausa spetsiaalse lekandessteemi abil. Eukarootide ehk pristuumsete puhul vivad uued geenid sattuda peremeesraku tuuma prast endosmbioosi teket (# 2D), millest tuleb peatselt juttu.

Prokarootidel ehk eeltuumsetel ei ole rakutuuma, s.t. DNA ja tstoplasma ei ole ksteisest eraldatud membraanidega. Prokrootide hulka kuulub kaks suurt eluslooduse rhma: bakterid ja arhed (# 3). Arhede nimetusena oleme Eesti Looduse veergudel pakkunud vlja ka rgid [12].
Geenijrjestusi vrreldes on leitud, et termofiilsetel, s.t. krgel temperatuuril (le 45 C) elutsevatel bakteritel ja arhedel leidub hiseid geene, mis puuduvad nende sugulastel, kes elutsevad madalamal temperatuuril. See nitab, et samas elukohas ja koniis, antud juhul niteks kuumaveeallikates koos elavad organismid vivad pris kergesti ksteiselt geene le vtta. Niiviisi omandatud geenid vimaldavad rmuslikus koniis edukalt hakkama saada.
Esialgsete hinnangute jrgi vib umbes viiendik termofiilsete bakterite geenidest olla prit arhedest [7]. Samuti vivad geenid liikuda termofiilsetelt bakteritelt arhedele, kuigi see protsess on vhem ulatuslik vi ehk ka praeguste uurimuste kigus lihtsalt vhem kirjeldatud.

Geenijrjestuste phjal on selgunud ka bakterite DNA erakordne muutumisvime ehk plastilisus [7]. Vga jmeda hinnanguna vib elda, et vaid umbes kmnendik he bakteri genoomis leiduvatest geenidest on sellised, millele sarnased geenid (nn. homoloogid) on olemas ka enamikul teistel bakteritel. Tavaliselt kodeerivad need geenid geneetilise info hoiu ja lekande komponente: DNA polmeraasi, RNA polmeraasi, ribosoomi osi jne.
See bakterigenoomi n.-. tuumikkomplekt enamasti ei rnda ega duplitseeru. Muudes protsessides osalevaid saadusi tootvad geenid vivad aga suhteliselt sageli horisontaalselt liikuda, leiduda he vi mitme koopiana vi hoopis puududa.
Ootamatult mitmekesised on genoomid isegi sellistes bakterirhmades, mida tavapraselt peetakse heks liigiks. Kirjeldatud on rmuslikke juhte, kus he bakteritve genoomis on kogu liigile omaseid geene ainult 40%.
Niteks vrreldes soolekepikese (Escherichia coli) patogeenset ehk haigusi tekitavat ja mittepatogeenset ehk kahjutut tve, leiti, et patogeensele tvele on lisandunud ligi 1400 geeni, umbes kolmandik kogu genoomist.
Lisandunud geenid kodeerivad haiguse tekkeks vajalikke valke: niteks mrke ehk toksiine ja nn. transportereid (valke, mis aitavad mingitel ainetel lbida rakumembraane). Need patogeensusgeenid ei ole sisenenud kromosoomi vikeste juppidena, vaid suurte, kmneid geene hlmavate likudena, mida nimetatakse patogeensussaarteks.
ldiselt tundubki, et sellised spetsiaalsetes koniides vajalikud lisageenid kanduvad horisontaalselt sagedamini le kui geenid, mis on vajalikud kigile bakteritele. See nib ka loogiline, sest paljud bakterid vahetavad tihti oma elukeskkonda ja uues keskkonnas vivad paljud seni vajalikud geenid osutuda kasutuks. Nii on otstarbekas lasta neil evolutsiooni kigus kaduma minna ja omandada uusi.
Huvitav on mrkida, et siiski ka ldvajalikud geenid vivad kanduda horisontaalselt, sraseid niteid leidub geenide seas, mis kodeerivad nii aminoatsl-tRNA sntetaase, ribosoomi valke kui ka RNA polmeraasi alahikuid.
ksikute horisontaalselt le kandunud geenide levikut ja kinnistumist populatsioonis peaks piirama see, et ksik geen ei anna tavaliselt organismile veel uut toimet. Niteks tihti tuleb uues keskkonnas kasutada uudset toitepinnast ehk substraati, mille lagundamine nuab aga mitme geeni saadusi. Vi vajab patogeenne bakter haiguse tekitamiseks lausa vga paljude geenide saadusi.
Bakterite puhul thustab horisontaalset lekannet see, et sama toime tarbeks vajalikud geenid paiknevad tihti operonides, s.t. asuvad DNA-ahelas krvuti ja nende avaldumist reguleerib (teisisnu, neid kivitab vi pidurdab) hine mehhanism. Seega on lihtne teise bakterisse kanda le kogu operon. Sellega koos kandub le niteks kogu ainevahetus- ehk metabolismirada, s.t. mingit eluthtsat ainet tootvate keemiliste reaktsioonide jada.
Oluline on mrkida, et erinevalt niteks loomadest on bakterid haploidsed, s.t. igat geeni leidub vaid hes korduses ja paljunemisega ei kaasne geneetilist rekombinatsiooni, s.o. seksi selle bioloogilises thenduses. Seetttu arvati kunagi, et bakterite evolutsioon kib ksnes klonaalsete populatsioonide tekke kaudu: iga bakterirakk saab kogu DNA oma eellasrakult ja mingit isenditevahelist rekombinatsiooni ei toimugi.
Nd on aga selgunud, et paljudes bakterirhmades leiab rekombinatsioon aset hoopis mrksa sagemini kui eukarootidel [2]. Lhedaste bakteriliikide DNA rekombineerub vga tihti nii konjugatsiooni, transformatsiooni kui ka transduktsiooni teel.
Seetttu on ka bakterite liigid teistsuguse iseloomuga kui niteks loomaliigid: liikide piirid on vga hgusad, mneti tundub, et liike ei olegi olemas. Kui paarkmmend aastat tagasi arvati, et bakterite omapra phjustab see, et rekombinatsiooni tuleb ette harva, siis praegu tundub just vastupidi, et bakteriliikide eripra tuleneb vga sagedasest rekombinatsioonist ja horisontaalsest lekandest [2].
Thelepanelik lugeja mrkas, et siiani oli juttu kll bakteritest, kuid maha on vaikitud teine prokarootide suurrhm, arhed. Kuna bakterid phjustavad inimese haigusi, on neid lihtsalt mrksa rohkem uuritud kui arhesid: nii on ka teavet horisontaalse lekande kohta nende seas rohkem. Arhede horisontaalse geenilekande kohta teatakse ilmselt vga vhe.

Bakterite ja arhede krval tuleb horisontaalset geenilekannet ette ka kolmandas eluslooduse suurrhmas: eukarootides ehk pristuumsetes. helt organismilt teisele ei pruugi kanduda vaid geenid. Vib juhtuda, et ht liiki rakk satub tervenisti elama teist liiki raku sisse ja limub seal psivalt peremeesrakuga. Sel moel on tekkinud mitokondrid, mida leidub kigi eukarootide rakkudes, samuti plastiidid taimedel [5].
Esialgu tekkis peremeesraku ja selle sisse sattunud raku vahel smbioos, vastastikku kasulik psiv kooselu. Srast smbioosi vormi, kus ks osaline on asunud elama teise sisse, nimetatakse endosmbioosiks. Mitokondrite puhul oli sisenejaks ehk mitokondrite eellaseks alfa-proteobakter. Plastiidide eellane oli tsanobakter ehk sinivetikas (# 3).
Ajapikku muutus smbioos nii tugevaks, et partnerid ei suutnud enam ksteiseta elada. Nii tekkisidki mitokondrid, mis vimaldavad energia tootmiseks kasutada hapnikku, s.t. hingata, ning plastiidid, mis vimaldavad toota pikeseenergia jul ssihappegaasist ja veest orgaanilisi aineid.
Tnapevastel mitokondritel ja kloroplastidel on silinud oma genoom. Ometi on enamik esialgse endosmbiondi geenidest mber kolinud tuuma ja seadnud end sisse peremeesraku geenijrjestusse (# 2D). Seda vib vaadelda ulatusliku horisontaalse geenilekandena [5]. Sraste lekandunud geenide kodeeritud valgud tehakse valmis peremeesraku tstoplasmas ning alles seejrel viiakse kasutusse mitokondrisse vi kloroplasti.
Paljudes herakuliste eukarootide rhmades on sageli ette tulnud ka ksikute geenide horisontaalset lekannet. Niteks mletsejate maos elavad ripsloomad on saanud bakteritelt horisontaalse lekande teel keskmiselt umbes 4% oma geenidest [9]. Nii sageda geenilekande phjusena on oletatud ripsloomade toitumisviisi, fagotstoosi, mille kigus haarab ripsloom bakterid rakku sisse ja lagundab seal. Nii jb ripslooma sees laokile bakteri DNA, mis vib sattuda tema kromosoomi. Ilmselt sel moel ongi ripsloomadele le kandunud paljud geenid, mis aitavad neil karmis maokeskkonnas hakkama saada.

Horisontaalne geenilekanne hulkraksetes olendites. herakuliste eukarootide puhul on vrdlemisi lihtne ette kujutada, kuidas horisontaalset le kandunud geenid jrglastele pranduvad ja populatsioonis psima jvad. Olukord on teine mitmerakulistes organismides, kus idutee on eraldatud, s.t. sugurakud ja nende eellasrakud ei vaheta geneetilist infot muude keharakkudega. Kui vras DNA llitubki suvalise keharaku genoomi, siis jrglasorganismidesse see ju ometi ei prandu. Siiski on teada juhtumeid, kus horisontaalselt le kandunud geenid on evolutsioonis psima jnud ka selgelt eraldatud iduteega eukarootides.
Niteks bakter Wolbachia parasiteerib putukate munarakkudes, levides emaputukast jrglastesse nakatunud munade kaudu. Et isased putukad ei mune, sobivad Wolbachia levikuks ainult emased. Huvitaval kombel suudab see bakter mjutada munade sugu, nii et nakatunud munadest kooruvadki sagedamini just emased. Kuna nakatuvad idutee rakud, siis tekib vimalus horisontaalseks geenilekandeks. See vimalus on looduses ka teoks saanud. Mne putukaliigi puhul on koguni leitud, et kogu Wolbachia genoom on liitunud putuka genoomi [4]. Samuti on theldatud, et paljud sellise integreerunud parasiidi geenid tepoolest toimivad, s.t. neilt toodetakse valke. Kas sellest peremehele ka mingit kasu vi kahju on, ei ole praeguseks teada.

Horisontaalse geenilekande sagedus selgroogsetes ei ole veel teada [5]. Kui inimese genoomijrjestus mned aastad tagasi kindlaks tehti, siis videti, et bakteritest selgroogsete genoomi vib olla hiljuti tulnud koguni sadakond geeni. Ndseks on selge, et knealuses uuringus tehti tehniline viga ja nii ulatuslikult ei ole geenid siiski le kandunud.

Siiani on juttu olnud lekandest bakterist eukarooti, kuid mitte eukarootidel omavahel. Phjus on see, et bakterite ja eukarootide geenijrjestused on kllaltki erinevad: nii on bakterite geene eukaroodi genoomist suhteliselt lihtne leida. See, kui he eukaroodi genoomi satuvad geenid teiselt eukaroodilt, ei jta nii ilmseid jlgi. Sestap ei osata eukarootide omavahelise geenilekande mra praegusel ajal veel hsti hinnata.
On leitud ka niteid geenidest, mis on liikunud eukarootidest bakteritesse, kuid sellegi protsessi ulatust ei osata veel hinnata [5].
Eespool kirjeldatud teave on saadud, uurides loodusest prit olendite geenijrjestusi flogeneetilise analsi abil. Teisisnu, otsides mrke juba kunagi varem toimunud horisontaalsest lekandest. Peale selle on geenide lekannet uuritud ka katsetega. Hiljuti ilmus huvitav t, kus he tubakataimede liini taimi poogiti teise tubakaliini taimede klge. Seejrel uuriti, kas ja mil mral on valitud geenid pookekoha rakkude vahel le kandunud. Theldati, et seda oli juhtunud priski palju [10]. Kuivrd taimed suudavad vegetatiivselt paljuneda, vib pookekohast prit materjal, niteks vrsed, anda aluse hbriidsetele taimedele.
Kokkuvtteks vib eukarootide kohta elda, et horisontaalse geenilekande niteid leidub hulgi, aga selle protsessi ldist sagedust ja olulisust evolutsioonis ei suudeta veel kuigi hsti hinnata. Siiski tundub, et horisontaalne lekanne ei ole eukarootide seas nii sage, et peaksime nende evolutsiooni kujutades asendama flogeneesipuud vrgustikega, nagu vahel on vlja pakutud.

Inimtegevus on loonud olukordi, kus horisontaalne geenilekanne on rmiselt hoogne. Antibiootikumid veti kasutusele 1940. aastatel. Valdav osa antibiootikume toodetakse looduslike mikroorganismide abil: seega olid need ained looduses laialt levinud juba ammu enne, kui inimeste kasutusse judsid.
Kui bakter vi seen antibiootikumi toodab, siis loomulikult vajab ta mehhanismi, mis teda ennast selle rakumrgi eest kaitseks. Tepoolest, looduslike mikroorganismide genoomid sisaldavadki geene, mis teevad antibiootikume kahjutuks: nn. resistentsusgeene.
Antibiootikumide lai tarvitus on loonud haigusi tekitavate bakterite seas tugeva loodusliku valiku, mis soosib neilgi resistentsusgeene. Nagu tnapeval teame, vivad bakteritel geenid horisontaalselt le kanduda pris kiiresti. Ja nii ongi juhtunud: resistentsusgeenid liikusid looduslikest mittepatogeensetest bakteritest patogeenidesse [1]. Antibiootikumiresistentsus on haigustekitajate seas kiiresti levinud ning muutunud tsiseks probleemiks.
Niteks vib tuua bakteri Staphylococcus aureus, kellest on viimastel aastatel palju rgitud. See olevus elab 2030% inimeste limaskestadel ja tavaliselt psib meie kehaga rahujalal. Ent mned tved vivad phjustada haigusi, alates kergetest nahapletikest kuni raskete kopsupletike ja sepsise ehk veremrgituseni. Philise ravimina sel puhul on viimastel aastakmnetel kasutatud antibiootikumi metitsilliin. Nd on aga ha laiemalt hakanud levima metitsilliini-resistentsed tved (metitsilliini-resistentne S. aureus MRSA), mida on vga raske vlja ravida.
Prast mitme S. aureuse tve genoomijrjestuste vljaselgitamist ilmnes genoomide suur muutumisvime ehk plastilisus [3, 8]. Genoomist 7% on jrjestused, mis on sinna sattunud alles hiljuti, nende seas ka resistentsusgeenid. Omandatud ei ole mitte ainult geene kaitseks metitsilliini eest, vaid ka vhemalt viis muude antibiootikumide suhtes resistentsust andvat geeni!
Resistentsusgeenid ei asetse MRSA kromosoomis hajusalt, vaid rhmadena, moodustades n.-. resistentsussaari. Nii ongi ht DNA-juppi horisontaalselt le vttes omandatud vime panna vastu paljude antibiootikumide toimele. Srane resistentsusgeenide rhmitumine on teada ka paljudel muudel bakteritel.
Peale antibiootikumide kasutatavad inimesed vitluses bakteritega ka tehismrke: desinfektante. Ka nende talumiseks on bakterid leiutanud geene, kusjuures tihtipeale rhmituvad needki kokku antibiootikumiresistentsuse geenidega. Nii on see S. aureusel ja mitmel muul bakteriliigil: mugav viis toime tulla korraga hulga ohtlike kemikaalidega.
Antibiootikumiresistentsuse levikut pidurdab kindlasti see, kui antibiootikume vhem tarvitada. Viks loota, et see aitab kaasa ka resistentsuse hbumisele: kui loodusliku valiku surve geene ei silita, siis peaksid need ju ajapikku populatsioonist kaduma. Ometi on resistentsus vga visa taanduma. Looduslik valik tekitab resistentseid bakteritvesid paraku mrksa kiiremini, kui need valiku lppedes kaovad.
Vaieldud on sellegi le, kas geneetiliselt muundatud olenditest vivad uued geenid horisontaalselt kanduda teistesse olenditesse, tekitades nnda ootamatute omadustega, vib-olla kahjulikke olevusi. Siiski arvatakse, et hulkraksetel eukarootidel kanduvad geenid horisontaalselt le suhteliselt harva, miljonite aastate ajaskaalas. Nii ei tohiks oht olla suur [6].

1. Aminov, Rustam I.; Mackie, Roderick I. 2007. Evolution and ecology of antibiotic resistance genes. FEMS Microbiol. Lett. 271 (2): 147161.
2. Fraser, Christophe et al. 2009. The bacterial species challenge: Making sense of genetic and ecological diversity. Science 323 (5915): 741746.
3. Hiramatsu, Keiichi et al. 2001. The emergence and evolution of methicillin-resistant staphylococcus aureus. Trends Microbiol. 9 (10): 486493.
4. Hotopp, Julie C. et al. 2007. Widespread lateral gene transfer from intracellular bacteria to multicellular eukaryotes. Science 317 (5845): 17531756.
5. Keeling, Patrick J.; Palmer, Jeffrey D. 2008. Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution. Nat. Rev. Genet. 9 (8): 605618.
6. Keese, Paul 2008. Risks from gmos due to horizontal gene transfer. Environ. Biosafety Res. 7 (3): 123149.
7. Koonin, Eugene V.; Wolf, Yuri I. 2008. Genomics of bacteria and archaea: The emerging dynamic view of the prokaryotic world. Nucleic Acids Res., 36 (21): 66886719.
8. Kuroda, Makoto et al. 2001. Whole genome sequencing of meticillin-resistant staphylococcus aureus. Lancet 357 (9264): 12251240.
9. Ricard, Gunola et al. 2006. Horizontal gene transfer from bacteria to rumen ciliates indicates adaptation to their anaerobic, carbohydrates-rich environment. BMC Genomics, 7: 22.
10. Stegemann, Sandra; Bock, Ralph 2009. Exchange of genetic material between cells in plant tissue grafts. Science 324 (5927): 649651.
11. Zaneveld, Jesse R. et al. 2008. Are all horizontal gene transfers created equal? Prospects for mechanism-based studies of hgt patterns. Microbiology 154 (Pt 1): 115.
12. Tenson, Tanel; Kisand, Veljo 2002. Eluslooduse mitmekesisus molekulaarsest vaatenurgast. Eesti Loodus 53 (9): 406409.
13. Vlassov, Valentin V. et al. 2007. Extracellular nucleic acids. Bioessays 29 (7): 654667.



Tanel Tenson
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012