Prenosi DNA med arhejami

Uvod

Horizontalni prenos genov je eno glavnih gonil za evolucionarni razvoj, prilagajanje novim ekološkim nišam in nastajanje novih arhealnih vrst. Trije glavni načini prenosa DNA v bakterijah - transformacija, transdukcija in konjugacija - so prisotni tudi v arhejah. Proces konjugacije vsebuje vzpostavitev povezave med donorsko in akceptorsko celico s posebnimi pili. Poleg tega pa so pri arhejah opisani tudi drugi mehanizmi za prenos DNA, kot sta fuzija celic in transport z vezikli. Pri fuziji celic gre za dvosmerni prenos in vključitev genomske in plazmidne DNA. Transport z vezikli pa sodeluje pri transportu bioloških molekul, vključno s kromosomsko in plazmidno DNA.

Konjugacija

Za konjugacijo potrebujemo mobilne genetske elemente (MGE; ang. mobile genetic elements). V arhejah so konjugativni elementi izvenkromosomski plazmid in integrativni elementi. Plazmidi, ki so znani, so bili izolirani iz Sulfolobacaea in vsebujejo tri različne regije i) domnevni izvor replikacije, ii) gene za podvajanje plazmida in integrazo, iii) več ORF (ang. open reading frame) med njimi tudi gen za AAA+ ATPazo in regijo, ki kodira transmembranske vijačnice, ki verjetno tvorijo translokacijsko poro za prenos DNA.

Bakterije s T4SS sistemom (ang. type IV secretion system) vsebujejo štiri ključne komponente za uspešno konjugacijo: i) konjugacijske pile, ki povezujejo celici in delujejo kot kanal za prenos DNA, ii) AAA+ ATPazo, ki je sklopitveni protein tipa IV, ta je nujen za biogenezo pilov in prenos substrata, iii) T4SS membranski kompleks, ki omogoča prenos DNA preko membrane donorske celice in iv) relaksom, ki cepi dsDNA, da dobimo ssDNA, ki se nato prenese.

Proces konjugacije so zaenkrat odkrili le pri dveh deblih arhej in sicer pri Thermoproteota in Nitrososphaerota. Sulfolobales so razvile poseben sistem za prenos DNA imenovan Ced sistem (ang. crenarchaeal exchange of DNA). Ced sistem vsebuje štiri proteine, CedA, CedA1, CedA2 in CedB. CedA vsebuje šest ali sedem transmembranskih domen, za katere predvidevajo, da tvorijo transmembranski kanal za vnos DNA. CedB je homolog bakterijske AAA+ ATPaze, ki zagotavlja energijo za translokacijo DNA preko membrane. CedA1 protein tvori pile, ki so strukturni homologi bakterijskim, vloge za CedA2 pa še ne poznajo. Ced sistem torej vsebuje tri od štirih komponent, ki jih vsebujejo bakterije za konjugacijo. Zapis za Ced proteine se nahaja na operonu Ced, ki je del kromosomske DNA, za razliko od bakterij, ki nosijo zapis za konjugacijske proteine na plazmidu. Operon Ced se izraža ob poškodbi DNA zaradi UV sevanja. Ced sistem posreduje enosmerni vnos DNA, ki je obraten od bakterijskega. Pri bakterijah celica s pili in T4SS kompleksom prenese svoj zapis drugi celici, medtem ko pri arhejah celica s Ced sistemom prejme dedni material. Ta se nato uporabi kot matrica za genomsko popravilo s homologno rekombinacijo.

Ced sistem deluje v povezavi z operonom pilov tipa IV, ki se aktivirajo z UV svetlobo in se nahajajo v Sulfolobales (Ups; ang. UV-inducible type IV pili operon of Sulfolobales). Ups pili, ki nastanejo ob UV-sevanju, posredujejo celično agregacijo, ki je vrstno specifična. Da je vrstno specifična zagotavljajo specifični vzorci glikozilacije na Ups pilih in S-proteinske plasti, ki prekriva celično membrano. Ni znano ali se S-plast razporedi ali razgradi. Glede na širino kanala, ki ga tvorijo pili, predvidevajo, da se prenaša enoverižna DNA. Ni pa znano, kako dsDNA preoblikuje v ssDNA. Za učinkovit prenos DNA morata biti prisotna tako Ups kot Ced sistem, vendar ta dva ne potrebujeta biti izražena v isti celici. Ced in Ups sistem nista vedno prisotna, kar nakazuje na drug alternativni mehanizem prenosa DNA. V Thermoproteales so odkrili homologe Ced proteinov in jih poimenovali Ted (ang. Thermoproteales exchange of DNA).

Z novimi odkritji delovanja Ced in Ted sistema, predvidevajo, da imata skupaj z bakterijskim T4SS konjugiranim sistemom skupnega prednika. Arhejski sistem pa se je nato razvil in prilagodil, da je arhejam omogočil preživetje v ekstremnih okoljih.

Fuzija celic

Poleg glavnih mehanizmov so pri arhejah opisani tudi drugi mehanizmi za prenos DNA. Eden teh temelji na fuziji celic (ang. cell fusion) in ga najdemo v halofilnih arhejah (haloarhejah). Pri tem mehanizmu gre za dvosmerni prenos in vključitev genomske in plazmidne DNA s celično fuzijo.

Pred skoraj tremi desetletji je bilo dokazano, da je prenos DNA med celicami haloarhej dvosmeren in odvisen od medceličnega stika. Mehanizem prenosa so opisali pri arhejah vrste Haloferax volcanii. Prenos je potekal na način, ki je bil odvisen od vzpostavitve fizičnega stika med celicami in se je povečal, ko je bila celicam omogočena daljša skupna inkubacija. Transformacija in transdukcija sta bili izključeni, saj je bil prenos neobčutljiv na DNazo. Konjugacija se je zdela malo verjetna, ker je bil prenos dvosmeren brez določenega donorja ali akceptorja. Odkrili so tudi citoplazemske mostičke, ki vzdržujejo citoplazemsko kontinuiteto dveh povezanih celic. Ti mostički so bili dolgi do 2 μm in široki 0,1 μm ter so omogočali prenos DNA med celicami. Konjugacija je bila izključena tudi zato, ker več citoplazemskih mostičkov hkrati povezuje dve celici. To je kasneje podkrepila tudi ugotovitev, da sta se kromosomska in plazmidna DNA v haloarhejah izmenjali s podobno frekvenco, kar je v nasprotju z bakterijsko konjugacijo. Pri konjugaciji namreč prenos genov, ki se nahajajo na plazmidih, poteka z večjo frekvenco kot prenos genov, ki se nahajajo na kromosomih. Zato je bil za haloarheje predlagan mehanizem prenosa DNA na osnovi celične fuzije.

Da pride do celične fuzije morata biti dve celici, ki pripadata isti ali sorodni vrsti, v neposredni bližini. Ker proces zahteva fizični stik, je naslednji korak pritrditev ene celice na drugo. Za to se domneva, da je potreben kakšen faktor prepoznavanja. Po prepoznavi sledi vzpostavitev fizičnega stika z ustvarjanjem citoplazemskih mostičkov med celicami. Nastali citoplazemski mostički se razširijo, da omogočijo dvosmerno izmenjavo plazmidov in celih kromosomov. Znano je, da med tem procesom nastanejo hetero-diploidne celice. Te celice vsebujejo kromosomsko in plazmidno DNA obeh starševskih celic ter v procesu predstavljajo začasno stanje. Na začetku celice vsebuje tudi kombinirane plazmide obeh starševskih celic. To stanje lahko vodi do dveh stvari. Lahko pride do ločevanja kromosomov, kar bi povzročilo vrnitev v prvotno stanje. Lahko pa zaradi hetero-diploidnosti celice pride do rekombinacije dveh kromosomov in tako do nastanka rekombinantnih kromosomov. Poleg tega se lahko plazmidi neenakomerno izmenjajo ali delijo neodvisno od kromosomov, zaradi česar nastanejo celice z novim genotipom.

Ugotovitev, da dejansko pride do celične fuzije in medvrstne rekombinacije, se ujema s filogenetskimi podatki, ki kažejo na visoke ravni medvrstnega prenosa DNA med haloarhejami.

Transport z vezikli

Nastajanje membranskih veziklov je univerzalen proces, za katerega se domneva, da je temelj celične kompartmentalizacije in evkariogeneze. V arhejah so bili vezikli in nanocevke v veliki meri raziskani pri reprezentativnih vrstah iz rodu Crenarchaeota in Euryarchaeota. Vezikli arhej so bili povezani z več fiziološkimi procesi, kot so razstrupljanje, biomineralizacija in transport bioloških molekul, vključno s kromosomsko in plazmidno DNA. S tem sodelujejo pri evoluciji genoma in prilagajanju s horizontalnim prenosom genov.

Ugotovljeno je bilo, da več termofilnih arhej sprošča membranske vezikle z brstenjem. Arheje Thermococcales pogosto sproščajo vezikle, ki vsebujejo tako kromosomsko kot tudi plazmidno DNA. Ugotovitev, da je ta plazmidna DNA izjemno odporna na visoke temperature in da nanj ne vpliva obdelava z DNazo, nakazuje na to, da membranski vezikli ščitijo DNA pred zunanjimi vplivi. Poleg brstenja lahko člani Thermococcales proizvajajo membranske vezikle skozi organele, ki spominjajo na bakterijske nanocevke. Nekatere vrste Thermococcales so sposobne proizvajati nanocevke, ki lahko dosežejo nekaj mikrometrov v dolžino in so pogosto napolnjene z vezikli. Vezikli, ki so prisotni v teh nanocevkah so običajno manjši od prostih veziklov, poleg tega pa se na skrajnih delih nanocevk nahajajo še večje, mehurčkom podobne strukture. To nakazuje, da bi lahko te strukture sodelovale pri transportu in oblikovanju veziklov. Nanocevke pogosto povezujejo celice skupaj in domnevajo, da bi lahko sodelovale pri prenosu materiala med celicami preko neposrednega celičnega stika.

Skoraj vse študije, ki se ukvarjajo s proizvodnjo veziklov v Crenarchaeaota, so bile izvedene na organizmih iz reda Sulfolobales. Te arheje so termoacidofili, ki uspevajo v kislih (pH 2–3) kopenskih vročih vrelcih. Nekateri sevi Sulfolobus proizvajajo vezikle, ki vsebujejo toksine (sulfolobicine), ki lahko ubijejo druge seve Sulfolobus. Ker so bili geni, ki so odgovorni za preoblikovanje membrane in vezikularni transport, verjetno prisotni v arhejah še pred Euryarchaeota, so bili membranski vezikli verjetno vključeni v najzgodnejše oblike medceličnega transporta arhej. Za mnoge organizme iz vseh področij življenja je tvorba membranskih veziklov še vedno bistvena za transport DNA in drugih spojin.

Glavna razlika med arhejami in bakterijami, ki verjetno vpliva na ustrezne mehanizme proizvodnje veziklov in nanocevk, je struktura njihovih celičnih ovojnic. Podobno kot pri večini evkariontskih celic imajo tudi arheje celično ovojnico sestavljena iz ene same membrane. Večina arhej tako nima rigidne celične stene, kar lahko olajša proizvodnjo veziklov in nanocevk.

Zaključek

Bakterijski in arhejski konjugacijski sistem sta verjetno sorodna kljub obratni smeri prenosa dednega materiala. Med arhejami se prenaša enoverižna genomska DNA skozi pile, ki se aktivirajo z UV svetlobo. Zaenkrat sta znana le Ced in Ted sistem prenosa DNA. Pri fuziji celic gre za dvosmeren prenos, ki je odvisen od medceličnega stika in vključuje fizično pritrditev dveh celic ter nastanek citoplazemskih mostičkov med celicami. Na koncu procesa nastanejo hetero-diploidne celice. Pride do rekombinacije kromosomov, ali pa do neenakomerne delitve plazmidov neodvisno od kromosomov, zaradi česar nastanejo celice z novim genotipom. V arhejah so bili vezikli in nanocevke v veliki meri raziskani pri reprezentativnih vrstah iz rodu Crenarchaeota in Euryarchaeota. Vezikli vsebujejo ter ščitijo kromosomsko in plazmidno DNA pred zunanjimi vplivi. Nanocevke lahko dosežejo nekaj mikrometrov v dolžino in so pogosto napolnjene z vezikli. Poleg tega povezujejo celice skupaj in domnevajo, da bi lahko sodelovale pri prenosu materiala. Večina znanja o mehanizmih prenosa DNA v arhejah temelji na raziskavah s Sulfolobus in haloarhejami. Zato je treba še ugotoviti, ali so opažanja oz. rezultati specifični ravno za te arheje ali pa so to splošne značilnosti arhej.

Viri

Wagner, A., Whitaker, R., Krause, D. et al. Mechanisms of gene flow in archaea. Nat Rev Microbiol 15, 492–501 (2017). https://doi.org/10.1038/nrmicro.2017.41

Beltran, L.C., Cvirkaite-Krupovic, V., Miller, J. et al. Archaeal DNA-import apparatus is homologous to bacterial conjugation machinery. Nat Commun 14, 666 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36349-8

Naor, A., Gophna, U. Cell fusion and hybrids in Archaea. Bioengineered. 4:3, 126-129 (2013). https://doi.org/10.4161/bioe.22649

Junfeng, L. et al. Extracellular membrane vesicles and nanotubes in Archaea. microLife, Volume 2. (2021). https://doi.org/10.1093/femsml/uqab007