هم یوغی باکتریایی (Bacterial conjugation)

هم­یوغی باکتریایی (Bacterial conjugation) به فرایند انتقال ماده ژنتیک میان سلول‌های باکتریایی، از طریق تماس مستقیم سلول به سلول و یا ایجاد ارتباط پل مانند میان دو سلول گفته می‌شود^(۱). هم‌یوغی هم مانند انتقال ژنتیکی (transduction) و ترانسفورماسیون (transformation) روشی از انتقال افقی ژن (horizontal gene transfer) در فرایند انتقال ژن است با این تفاوت که انتقال ژن در این دو نوع(transduction و transformation) از طریق تماس مستقیم سلول به سلول صورت نمی گیرد^(۲).

هم­یوغی باکتریایی اغلب معادل تولید مثل جنسی(sexual reproduction) و یا جفت­گیری(mating) در باکتری در نظر گرفته می­شود چرا که شامل تبادل مواد ژنتیکی است. البته باید در نظر داشت که این انتقال ماده ژنتیکی، از نوع تولید مثل جنسی نمی­باشد چون هیچ­گونه تبادل گامتی رخ نمی­دهد. در فرایند هم­یوغی، سلول دهنده، عنصر ژنتیکی هم­یوغی شونده یا متحرک که اغلب یک پلاسمید(plasmid) و یا یک ترانسپوزون(transposon) است را فراهم می­کند^(۳). اغلب پلاسمیدهای هم­یوغی شونده دارای سیستم­هایی هستند که از طریق آن اطمینان حاصل می­کنند که سلول گیرنده دارای عنصر مشابه نباشد. ماده ژنتیکی منتقل شده اغلب برای گیرنده مفید است. این مزایا شامل مقاومت به آنتی بیوتیک(antibiotic resistanse)، تحمل زنوبیوتیک(xenobiotic) یا توانایی استفاده از متابولیت­های جدید است^(۴). چنین پلاسمیدهای سودمندی به عنوان همزیست­های باکتریایی (endosymbionts) در نظر گرفته می­شوند. عناصر دیگر، می­توانند به عنوان انگل باکتریایی در نظر گرفته شوند که هم­یوغی در واقع مکانیسم تکامل یافته­ای برای گسترش آن­ها است.

تاریخچه:

پدیده هم­یوغی در سال ۱۹۴۶ توسط جاشوا لیدربرگ و ادوارد تیتوم کشف شد^(۵).

مکانیسم:

مکانیسم عمل هم­یوغی در تصویر آورده شده است. پلاسمید F(F-plasmid) یک اپی­زوم(episome) با طول حدود 100kb می­باشد. اپی­زوم در واقع پلاسمیدی است که می­تواند با استفاده از نوترکیبی همولوگ( homologous recombinant)، خود را درون کروموزوم باکتری وارد کند. پلاسمید F یک مکان آغاز همانندسازی (origin of replication (oriV)) و یک مکان انتقال (oriT) دارد^(۳). فقط یک کپی از پلاسمید F می­تواند به صورت آزاد و یا به صورت ادغام شده درون کروموزوم باکتری گیرنده وجود داشته باشد. باکتری­های حامل این کپی، F+ (F positive) نامیده می­شوند و سلول­های فاقد این پلاسمید، F- (Fminus) نامیده شده و به عنوان سلول گیرنده عمل می­کنند.

در میان اطلاعات ژنتیکی، پلاسمید F حامل دو جایگاه کروموزومی tra و trb است که روی هم رفته 33kb طول دارند و شامل ۴۰ ژن می­باشند. جایگاه کروموزومی tra شامل ژن pilin و ژن­های تنظیم­کننده است که با یکدیگر پیلی(pili) را در سطح سلول شکل می­دهند. همچنین این جایگاه شامل ژن­هایی است که کدکننده پروتئین­های متصل شونده به سطح باکتری­های F- هستند و آغازکننده هم یوغی می­باشند. بر روی مکانیسم دقیق هم­یوغی شک و تردید وجود دارد و به نظر می­رسد که پیلی ساختارهای اصلی انتقال دهنده DNA در حین هم­یوغی نیستند و به نظر می­رسد چندین پروتئین کد شده توسط جایگاه­های ذکر شده کانال­هایی را بین دو باکتری باز کرده و آنزیم traD که در قاعده پیلی قرار دارد، ادغام دو غشاء را آغاز می­کند.

دیاگرام هم­یوغی: ۱) سلول دهنده، پیلی یا پیلوس تولید می­کند. ۲) پیلوس به سلول گیرنده متصل شده و دو سلول را کنار هم می­آورد. ۳) پلاسمید دو رشته­ای جدا شده و یکDNA  تک رشته به سلول دیگر منتقل می­شود. ۴) هر دو سلول یک رشته مکمل سنتز کرده تا یک پلاسمید حلقوی دو رشته­ای داشته باشند. علاوه بر این هر دو سلول برای خود پیلی تولید کرده تا به عنوان دهنده و یا عامل F (F factor) شناخته می شود.

کاربردهای مهندسی ژنتیک:

هم­یوغی ابزار مناسبی جهت انتقال مواد ژنتیکی برای اهداف مختلف است. در آزمایشگاه، انتقال موفق از باکتری­ها به مخمر^(۶)، گیاهان، سلول­های پستانداران^{(۷، ۸)} و میتوکندری­های^(۹) جدا شده پستانداران گزارش شده است. هم­یوغی دارای مزایای بیشتری نسبت به انواع دیگر انتقال مواد ژنتیکی می­باشد از جمله اینکه باعث ایجاد حداقل اختلال در پوشش غشایی سلول هدف شده و امکان انتقال مقادیر نسبتاْ زیادی از مواد ژنتیکی را دارد. در مهندسی گیاهی، عناصر هم­یوغی شبه آگروباکتریوم، مکمل سایر سیستم­های انتقال دهنده استاندارد مانند ویروس موزاییک توتون (tobacco mosaic virus یا به اختصار TMV) می­باشد. در حالی که TMV قادر به آلوده کردن بسیاری از خانواده­های گیاهی دولپه­ای علفی می­باشد، هم­یوغی شبه آگروباکتریوم قادر به آلوده کردن گیاهان دو لپه­ای و تک لپه­ای می­باشد.

منابع:

1. Holmes RK, Jobling MG (1996). Baron S, et al., eds. Genetics: Conjugation. in: Baron’s Medical Microbiology (4th ed.). Univ of Texas Medical Branch. ISBN0-9631172-1-1.
2. Griffiths AJF; et al. (1999). An Introduction to genetic analysis (7th ed.). San Francisco: W.H. Freeman. ISBN0-7167-3520-2.
3. Ryan KJ, Ray CG, eds. (2004). Sherris Medical Microbiology (4th ed.). McGraw Hill. pp. 60–4. ISBN0-8385-8529-9.
4. Holmes RK, Jobling MG (1996). Baron S, et al., eds. Genetics: Exchange of Genetic Information. in: Baron’s Medical Microbiology (4th ed.). Univ of Texas Medical Branch. ISBN0-9631172-1-1.
5. Lederberg J, Tatum EL (1946). “Gene recombination in E. coli”. Nature. 158 (4016): 558. doi:1038/158558a0.
6. Heinemann JA, Sprague GF (July 1989). “Bacterial conjugative plasmids mobilize DNA transfer between bacteria and yeast”. Nature. 340 (6230): 205–9. doi:1038/340205a0. PMID2666856.
7. Kunik T, Tzfira T, Kapulnik Y, Gafni Y, Dingwall C, Citovsky V (February 2001). “Genetic transformation of HeLa cells by Agrobacterium”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 98 (4): 1871–6. doi:1073/pnas.041327598. PMC29349. PMID 11172043.
8. Waters VL (December 2001). “Conjugation between bacterial and mammalian cells”. Nat. Genet. 29 (4): 375–6. doi:1038/ng779. PMID11726922.
9. Yoon YG, Koob MD (2005). “Transformation of isolated mammalian mitochondria by bacterial conjugation”. Nucleic Acids Res. 33 (16): e139. doi:1093/nar/gni140. PMC1201378. PMID 16157861.