Interakcije plazmid - kromosom

Uvod

Bakterije lahko pridobijo DNA iz drugih mikroorganizmov ali iz okolja in ne le od svojih prednikov. Temu pravimo horizontalni prenos genskega materiala, kjer ponavadi sodelujejo mobilni genetski elementi kot so fagi, genomski otoki in plazmidi. Pridobivanje plazmidov je pomembno za prilagajanje bakterij na okoljske spremembe in pridobivanje koristnih lastnosti, kot so odpornost na antibiotike, sposobnost razgradnje hranil ali patogeneza. Kljub temu lahko nošenje plazmidov postane breme za bakterije, saj lahko omejijo replikacijo ali izražanje genov, kar zmanjša njihovo konkurenčnost.

Da bi delovanje bakterije s plazmidom ostalo uravnoteženo, so bakterije in plazmidi razvili tesno regulativno omrežje, ki vključuje medsebojno komunikacijo. Čeprav večina študij preučuje vpliv kromosomov na plazmid, je znano, da pridobivanje plazmidov povzroča spremembe v kromosomih akceptorskih bakterij. V zadnjih letih so se začeli pojavljati primeri regulatorjev, kodiranih s strani plazmidov, ki nadzorujejo izražanje kromosomskih genov.

Spremembe v bakterijah zaradi nošenja plazmida

Spremembe v izražanju genov in presnovi akceptorskih bakterij po pridobitvi plazmida

Ko bakterije pridobijo nov plazmid, prilagodijo svojo presnovo, da izpolnijo nove fiziološke potrebe, ki jih plazmid ustvari. V študijah so opazili spremembe v izražanju kromosomskih genov povezanih s presnovo aminokislin, ogljikovih hidratov in transportom. Ti primeri kažejo, da plazmidi večinoma le malo vplivajo na izražanje kromosomskih genov, vendar specifično vplivajo na gene, povezane s presnovo in proizvodnjo energije. Učinki novo sprejetih plazmidov na kondicijo bakterij vključujejo tudi počasnejšo replikacijo kromosoma, neučinkovito translacijo in dodatno breme zaradi sinteze plazmidnih proteinov.

Prenašanje plazmida povzroča prilagoditvene mutacije v kromosomu

Vnos plazmidov v gostitelja prinese s seboj določen strošek oz. obremenitev, ki ga lahko zmanjšamo s prilagoditveno evolucijo. Organizem se s kopičenjem genetskih sprememb, mutacij ali prenašanjem genov med populacijami prilagaja na spremenjene okoljske pogoje oziroma na prisotnost novega dejavnika. Plazmida R1 in RP4 sta povzročala težave Escherichia coli. Po 1100 generacijah evolucije v kulturah je bila prilagoditvena obremenitev zmanjšana zaradi genetskih sprememb tako na plazmidu kot na bakterijskem kromosomu.

Nadaljnje študije so uporabile generacijsko sekvenciranje za natančnejšo identifikacijo in analizo prilagoditvenih mutacij na plazmidih ali kromosomu. Celice Pseudomonas fluorescens, ki so nosijo megaplazmid pQBR10, so bile za 25% manj konkurenčne in manj uspešne v primerjavi s celicami, ki ni so imele tega plazmida. Po eksperimentalni evoluciji 450 generacij so bile opažene mutacije v genih gacA ali gacS. Pri mutiranih sevih je prišlo do zaviranja izražanja ostalih genov, kar je zmanjšalo porabo energije za translacijo. Posledično se je zmanjšala tudi obremenjenost akceptorskih celic. Frekvenca populacije plazmida se je hitro zmanjšala, vendar se je tempo izgube plazmida nato upočasnil zaradi kompenzacijskih mutacij v kromosomskih genih. Na ta način se bakterije prilagodijo in omogočajo udomačitev plazmidov.

Študije, ki obravnavajo mehanizme sprememb obsega gostitelja plazmida, pogosto kažejo na mutacije v genih, ki kodirajo proteinski iniciator replikacije in pridobitev plazmida s transpozonom, ki nosi sistem toksin-antitoksin. To pomeni, da lahko mutacije ali pridobitev genov, omogočajo plazmidom preživetje in razmnoževanje v širšem spektru bakterijskih vrst.

Spremembe v izražanju genov in metabolizmu akceptorskih bakterij po izgubi plazmida

Akceptorske bakterije se prilagajajo prenašanju plazmidov preko prilagoditvenih mutacij, kar nakazuje, da bi lahko prihajalo do specifičnih sprememb ob izgubi plazmida.

Genom S. meliloti vsebuje kromidom pSymB (starejši) in megaplazmid pSymA (novejši), ki kodira gene za nodulacijo in fiksacijo dušika. Ugotovili so, da replikon pSymA deluje kot ločena enota od kromosoma. Odstranitev megaplazmida pSymA je vplivala samo na šest genov, medtem ko je odstranitev kromida pSymB povzročila velike spremembe v metabolizmu in vplivala na izražanje mnogih genov. Tako je povezava med pSymA in drugimi deli genoma manjša kot med pSymB in kromosomom. Izvedli so tudi analizo proteomov v prisotnosti luteolina, ki spodbuja izražanje genov nodulacije na pSymA. Izkazalo se je, de se je količina približno 30 proteinov spremenila po odstranitvu pSymA. Čeprav se zdi, da je vpliv pSymA na izražanje genov skromen, pa se vendarle kaže interakcija med pSymA in kromosomom med specializiranimi procesi, še posebej pri izražanju genov za nodulacijo ali fiksacijo dušika. Medsebojni pogovor med replikoni je splošno odvisen od tega, kako dolgo so replikoni soobstajali v isti bakteriji, kar ponazarja stopnjo udomačenosti replikonov v celici.

Vpliv plazmidnih proteinov na kromosomske funkcije

Plazmidno kodirani proteini vplivajo na kromosomske funkcije, pri čemer oblikujejo dinamično interakcijo med plazmidom in kromosomom.

Plazmidno kodirani proteini H-NS

Proteini, znani kot NAP (proteini, povezani z nukleoidom) proteini so ključni pri regulaciji transkripcije in modulaciji topologije DNA. Med njimi so tudi H-NS proteini (histonu podobni nukleoidni strukturirajoči proteini), ki z nespecifično vezavo na AT-bogata območja DNA utišajo izražanje horizontalne DNA, ki ima nižjo vsebnost GC parov kot gostiteljska bakterija. Čeprav plazmidni H-NS ne nadomestijo popolnoma endogenih H-NS, so pomembni za bakterijski fitnes, saj preprečujejo potencialno škodljivo ekspresijo genov, ki bi lahko destabilizirala gostiteljsko celico.

Torej, brez prisotnega plazmida v bakterijski celici, je endogenih H-NS proteinov dovolj, da zasedejo vsa vezavna mesta na kromosomu. Ko pa se v celico vključi AT-bogat plazmid, se število vezavnih mest za proteine H-NS bistveno poveča. To lahko povzroči, da bakterija preusmeri svoje proteine H-NS za uravnavanje novih vezavnih mest, ki jih prinaša plazmid. Posledica tega je lahko zmanjšanje razpoložljivosti H-NS proteinov za njihove običajne tarče na kromosomu, kar lahko vodi v spremenjen fenotip, vključno s padcem fitnesa bakterije. Da bi bakterije te potencialne škodljive učinke zmanjšale, so razvile mehanizem za kompenzacijo pomanjkljivosti v kromosomskem H-NS sistemu. Plazmidi lahko zagotovijo dodaten vir H-NS proteinov, kar omogoča bakteriji, da ohrani svoj genetski in metabolični red tudi ob prisotnosti plazmida.

Utišanje sistemov CRISPR-Cas s plazmidnimi proteini H-NS

Vključitev plazmida ne vpliva zgolj na ekspresijo določenih genov, ampak omogoča tudi, da se bakterija prilagodi na antibiotične pritiske ali gostiteljeve imunske odzive. Plazmidni proteini vplivajo tudi na bakterijske imunske sisteme, kot je CRISPR-Cas, ki ga razumemo kot imunski obrambni sistem proti virusom in plazmidom.

Plazmidni H-NS imajo zmožnost utišanja CRISPR-Cas sistemov. Z vezavo na AT-bogata področja na kromosomu, kot so promotorske regije CRISPR-Cas sistema, lahko zavirajo izražanje teh genov. Z zmanjšanjem učinkovitosti CRISPR-Cas sistemov, se plazmidi ne le izognejo neposrednemu uničenju, ampak tudi spodbujajo večjo permisivnost bakterij za sprejem tuje DNA, kar je temelj bakterijske evolucije.

Vloga plazmidnih sistemov Rap-Phr pri sporulaciji

Sistemi Rap-Phr so kvorumskega tipa zaznavanja prisotnosti drugih celic in so ključni za regulacijo procesov, kot so sporulacija, tvorba biofilma in kompetentnost pri bakterijah Bacillus. Sisteme Rap-Phr so odkrili tako na kromosomih kot plazmidih, pri čemer imajo plazmidni sistemi večji vpliv na sporulacijo.

Ti sistemi vključujejo proteinske fosfataze Rap, ki defosforilirajo odzivne regulatorje Spo0A in inhibirajo začetek sporulacije. Sporulacija je možna v primeru, da koncentracija zrelega peptida Phr izven celice naraste, preide v celico in inhibira aktivnost Rap. Izolacija plazmidnih sistemov lahko vodi v povečano ekspresijo gena rap na genomu, inhibirano sporulacijo in zmanjšano količino zunajceličnih proteaz. Njihovo zmanjšanje pa lahko zmanjša imunski odziv gostitelja in olajša preživetje bakterij v vegetativni fazi, dokler gostiteljski organizem ne umre.

Vloga plazmidno specifičnih regulatorjev pri genetski ekspresiji kromosomov

Genetska ekspresija v S. meliloti

V bakteriji S. meliloti najdemo transkripcijske faktorje, kot so NodD1, NodD3/SyrM in FixJ, ki regulirajo ekspresijo genov na kromosomu. Ti transkripcijski regulatorji tipa LysR, aktivirajo izražanje genov, ki imajo ohranjena promotroska zaporedja, imenovana NOD-boxi. Za delovanje potrebujeta NodD1 in NodD2 aktivacijo genske ekspresije flavonoidov, medtem ko Nod3 tega ne potrebuje. NodD1 in NodD3 regulirata kromosomsko ekspresijo; sev, ki ima izražen NodD3, modulira ekspresijo več kot 200 genov. Geni, katerih ekspresija se je povečala, so bili na plazmidu, medtem ko je bila večina genov, ki so bili represirani, na kromosomu. NodD3 naj bi bil indirektno povezan z gensko ekspresijo, saj aktivira SyrM-transkripcijski regulator s svojo promotorsko regijo in nodboxom. FixLJ nadzoruje ekspresijo genov, povezanih s fiksacijo dušika, pri čemer direktno kontrolira tri gene na kromosomu, ki vsebujejo vezavna mesta za FixLJ na njihovih promotorjih. Ti geni na kromosomu so redki, kar nakazuje, da so bili najbrž pridobljeni s horizontalnim prenosom DNA iz plazmida pSymA.

Vloga plazmidov pri bakterijskih infekcijah

A. Baumannii je znan patogen, odporen na zdravila. Velika družina plazmidov, vključno z pAB04-1 in pAB3, utišajo ekspresijo sekrecijskega sistema VI tj. T6SS, ki je kodiran na kromosomu. T6SS deluje kot protibakterijsko orožje, vendar je nezdružljiv s plazmidom, ki nosi odpornostne gene. Nasprotno, plazmidi, kot je pAB5, povečajo virulenco s kontroliranjem kromosomskih faktorjev. Rhodococcus equi je intracelularni patogen, katerega virulenca je odvisna od plazmida z otokom patogenosti. Ta plazmid kodira za VapA protein, ključen za rast. Poleg VapA sta za virulenco potrebna gena virR in virS, ki regulirata kromosomski transkriptom. Transkripcijski faktorji, kodirani z novo pridobljenim plazmidom, se lahko vežejo na kromosomske promotorje, kar kaže na mutacije pri vezavi med evolucijo.

Enteropatogena E. Coli (EPEC) povzroča drisko in nosi plazmid, ki nadzoruje virulenco. Plazmid EAF nosi gen za regulatorni protein Per, ki aktivira transkripcijo genov na kromosomu. Per regulira faktorje, ki EPEC-u pomagajo pri vezanju na črevesno steno. Dejavnost Per-a se spreminja glede na pogoje in lahko vodi do bimodalnega izražanja gena Ler, ki vzdržuje podpopulacijo virulentnih bakterij. Ta epigenetski preklop spomina je odvisen od komuniciranja med plazmidom EAF in kromosomom EPEC, kar vodi v vztrajno okužbo in širjenje med gostitelji.

Vloga sRNA pri "cross-talk-u"

Regulatorni sRna uravnavajo izražanje genov pri bakterijah, delujejo kot represorji ali aktivatorji. Igrajo ključno vlogo pri patogenezi in odzivu na stres. Na primer, rastlinski patogen A. tumefaciens nosi Ti plazmid, ki proizvaja sRNA-je, kot je QfsR, ki uravnavajo gene na plazmidih in kromosomih. QfsR nadzoruje nivoje mRNA in genov povezanih z gibljivostjo. To razkriva pomembno vlogo plazmidno kodiranih sRNA-jev pri neposrednem uravnavanju izražanja genov kromosoma, mehanizem, ki je verjetno široko razširjen v bakterijskih sistemih, kar poudarja njihov pomen pri genski regulaciji.

Viri

[1] L. Vial in F. Hommais, „Plasmid-chromosome cross-talks“, Environmental Microbiology, let. 22, št. 2, str. 540–556, 2020, doi: 10.1111/1462-2920.14880.

[2] Singh RP, Kumari K. Bacterial type VI secretion system (T6SS): an evolved molecular weapon with diverse functionality. Biotechnol Lett. marec 2023 ;45(3):309-331. doi: 10.1007/s10529-023-03354-2.