Horizontální genový přenos Geny v pohybu

Mechanismy HGT Baktérie: konjugace, transformace, transdukce (GTA)

Mechanismy HGT u eukaryot Většina zistených případů HGT u eukaryot se týká protist (především fagotrofných a těch, kteří hostí endosymbionty). Množství bakteriálních genů v genomu koreluje se životním stylem protist a způsobem získávání potravy Životní styl organismů urychluje horizontální přenos genů (fagotrofie, symbiózy): A. Fagotrofie - pohlcování bakterií anebo menších eukaryot (např. nálevníci Didinium vs. Paramecium) zlepšuje přístup organismu k cizorodé DNA Těsný kontakt jader u Kryptoperidinium (obrněnky a rozsivky) Zelené plastidy z pohlcené kořisti (zelená řasa) uvnitř mořského slimáka Bakterie na povrchu bičíkovců z termitů Bakterie v cytoplasmě prvoka Barbulonympha

Podíl HGT genů na genomech Desítky procent u genomů bakterií < 1% genomu protist (5% u rozsivky Phaeodactylum tricornutum), nepočítáme-li endosymbiotický přenos ~10-20% geny z primární endosymbiózy < 10% genů ze sekundární a vyšší endosymbiózy

Jak odhalit HGT Odlišný poměr GC párů v DNA (přednostně se ale přenáší geny s podobným GC poměrem jak má genom recipienta) Hustota genů a poměr mobilních elementů, odlišný „codon usage“. Příklad: u zelené řasy Ostreococcus tauri pochází celý chromozom 19 z externího zdroje O. tauri je najmenší volne žijúci nesymbiotický eukaryot, morská zelená riasa. Derelle et al. 2006 (PNAS)

Jak odhalit HGT Metody molekulární fylogenetiky a molekulární biologie Fig. 28.5. Some trees show unusual relationships for eukaryotes that are not easy to explain within the framework of the current consensus for eukaryotic phylogeny. Entamoeba and the diatom Thalassiosira are closely related in the tree for glutamine synthase (EC 6.3.1.2), but no external data suggest that these two eukaryotes are closely related. One possible explanation is eukaryote-to-eukaryote HGT. Trichomonas vaginalis also contains a homologue of glutamine synthase, but in this case it clusters weakly with Fusobacterium. Metody molekulárnej fylogenetiky a biologie nám umožňujú charakterizovať typy mobilných genetických elementov a tiež identifikovať pradávne transfery, ktoré prispeli k evolúcii genómov. Fylogeneze organizmu nesedí s fylogenezí daného genu. Fylogenetický strom pre glutamin syntázu hodil entamébu do príbuznosti s rozsivkou Thalassiosira a mezi bakterie, to samé pro trichomonádu. Někdy je ale těžké rozlišit HGT od bakteriální kontaminace, hlavně u genomů protist ze smíšených kultur. Při detekci HGT v genomech protist může pomoct srovnat genomové data s transkriptomem anebo podezrelé geny vizualizovat pomocí FISH. Pozor na interpretaci stromů – paralogy, ztráty genů Alsmark UC et al. 2009

Hypotéza komplexity HGT se týká především genů operačních (metabolických) Informační geny (transkripci a translaci) jsou HGT postižené zřídka (informační geny jsou typicky součástí komplexních systémů, jejich přenos by byl složitý. Např. ribozom). Výjimky např. EF-1α x EFL; α-tubulin u Andalucia; aminoacyl- tRNA syntetázy HGT sa nevyhla ani centrálnej dráhe metabolizmu, glykolýze, ktorá je mozaikou intra- i interdoménových transferov. S týmto súvisí hypotéza komplexity. Genové produkty, ktoré fungujú jako súčasť zložitých komlpexov a prenášajú horšie. To, aby vo finále právne zapadli do zložitého mechanizmu génovej expresie, predstavuje vačší problém jako v prípade génových produktov, ktoré majú iba pár interakčných partnerov. Zdá sa však, že žiaden gen nie je imúnny voči presunu. Myslelo sa, že sa netýka tiež génov pre proteíny hrajúce kľúčové úlohy v bunke. Opak je ale pravdou. Napr. originálny a-tubulin Andalucie bol nahradený génom z externého zdroja (v strome sadla k diplomonádam a parabasalidom, pritom je to jakobid). Gény pre amonoacyl tRNA-syntetázy sú náchylné k HGT. Napr. tyrosylS získali opistokonta z archebaktérií. AlanylS a prolylS diplomonád a parabasalidov je tiež archebakteriálneho povodu. K ďalšiemu presunu alanylS došlo medzi parabasalidmi a líniou nálevníkov a entamébou pravdepodobne u voľne žijúcich príbuzných parabazalidov a entaméby.

Směry HGT Prokaryota → Prokaryota (šíření genů rezistence na antibiotika přitáhlo pozornost k HGT) Prokaryota → Eukaryota (např. endosymbiotický genový transfer) Eukaryota → Prokaryota (zřídkavé, limitují introny; např. geny pro tubulin a aktin v bakteriích) Eukaryota → Eukaryota (méně časté; např. u hub)

Srovnání genomů kmenů E. coli Welch a kol. 2009

Pangenomy bakterií Touchon a kol. 2009

U eukaryot nic takového nepozorujeme Porovnání genomů různých izolátů Giardia Jerlström-Hultqvist a kol. 2010, BMC Genomics U trypanosom Jackson a kol. 2010, PloS Negl. Trop. Diss. (Trypanosoma brucei brucei vs T. b. gambiense)

Adaptivní funkce bakteriálních genů HGT je zdrojem nových adaptací Ekologicky specializovaní prvoci (anaerobní paraziti, bachoroví nálevníci, extremofilové) mají hodně bakteriálních genů HGT však nesouvisí jen s extrémními adaptacemi (půdní améby) Geny pro fermentativní metabolizmus u anaerobů. D. discoideum získalo geny od půdních bakterií pro snadnější život v půdě (dipeptidázy pro degradaci stěn bakterií, proteiny pro transport železa anebo geny rezistence vůči půdním toxinům). Bachorový nálevník Ophryoscolex Řasa Galdieria sulphuraria Trichomonas vaginalis

Galdieria sulphuraria Extremofilní červené řasa (Cyanidiophyceae) Flexibilní metabolizmus Jedinečná adaptace na extrémní podmínky díky HGT (pH 0-4; teplota 56°C; tolerance toxických kovů; HGT až 5% genomu) Bakteriální geny pro různé iontové kanály Méně intronů a vyšší GC obsah Donoři: extremofilní bakterie a archebakterie 56°C je limit pro eukaryotický život. V těchto podínkách G. sulphuraria tvoří 90% eukaryotické biomasy. Horké sirné prameny, vulkanické oblasti. Bakteriální iontové kanály jí umožňují udržovat neutrální pH cytoplasmy, tolerovat vysokú salinitu a horko. HGT od extremofilních bakterií a archebakterií Schönknecht et al. (2013)

Bakteriální geny u bachorových nálevníků Ricard 2006, BMC genomics

Trichomonas vaginalis Lateral gene transfer Fragment (TvLF) Donor - Peptoniphilus harei Strese et al. 2014 TvLF

Evoluce regionu TvLF Strese et al. 2014

HGT do organel Yurchenko a kol. 2016

HGT u parazitů – potenciální cíle léčby Cryptosporidium parvum Sateriale a Striepen 2016

Odhady množstcí HGT genů z prokaryot Species Nr. of genes Nr. HGT % HGT Source Genome/ transcriptome Acanthamoeba castelanii 15455 450 2.91 (Clarke et al., 2013) Genome Adineta ricciae 28922 2792 9.65 (Boschetti et al., 2012) Transcriptome Caenorhabditis elegans 11168 206 1.84 Cryptosporidium parvum 4074 8 0.20 (Alsmark et al., 2013) Dictyostelium discoideum 13605 61, 92 0.45, 0.68 (Alsmark et al., 2013; Clarke et al., 2013) Drosophila melanogaster 18368 105 0.57 Encephalitozoon cuniculi 1918 1 0.05 Entamoeba histolytica 9090 51, 199 0.56, 2.19 Galdieria sulphuraria 6623 75 1.13 (Schönknecht et al., 2013) Giardia intestinalis 6394 15 0.23 Hydra magnipapillata ~20000 71 0.36 (Chapman et al., 2010) Leishmania major 7111 63 0.89   Monosiga brevicollis 9196 139 1.51 (Yue, Sun, Hu, & Huang, 2013) Naegleria gruberi 15727 44, 431 0.28, 2.74 (Clarke et al., 2013; Fritz-Laylin et al., 2010) Plasmodium falciparum 5258 18 0.34 Phaeodactylum tricornutum 10402 587 5.64 (Bowler et al., 2008) Toxoplasma gondii 7793 16 0.21 Trichomonas vaginalis 59681 134 0.22 Trypanosoma brucei 9750 45 0.46 Trypanosoma cruzi 20184 46 Počet kandidátů na HGT v genomech 12 parazitických protist varíruje od 3 do 149. Genomy Dictyostelium, Entamoeba a Leishmania mají nejvyšší poměr HGT ve vztahu k velikostí jejich genomů. Entamoeba a Dictyostelium aktivně fagocytují prokaryota, leishmanie se setkávají s bakteriemi ve střevě hmyzího přenašeče, co zvyšuje pravděpodobnost přenosu genů. Nejvyšší počet kandidátů na HGT celkově byl zjištěn u T. vaginalis.

HGT z eukaryot do prokaryot Alfa a beta tubuliny, kinesin u bakterie Prosthecobacter dejongeii Aktin a profilin u sinice Microcystis aeruginosa Eukaryotické geny v genomu intracelulární bakterie Legionella (zdroj: vodní a půdní améby) Améby jako tréninkové tábory bakt. adaptace pro euk. buňky Byly zaznamenané recentní transfery exkluzivně eukaryotických genů do bakterií. Tubulíny bakterií sice strukturně odlišné ale funkčně podobné (tvoří protofilamenty). Bakteriální aktin převzal stukturní roli v buňce bakterie (ochrana před zmenami salinity). Legionella získala sadu génov od améb, vnútri ktorých sa množí a od améb zrejme získala i návod, jako sa množiť v eukaryotických bunkách, vrátane ľudských. Aktin_FITC Guljamow A et al. Curr Biol. 2007;17(17):R757-9

HGT enzymů účastnících se parazitismu mezi houbami a oomycetami Richards a kol. 2011

HGT enzymů degradujících rostlinné povrchy Soanes a Richards 2014

HGT a vznik pathogenu Phaeosphaeria nodorum Pyrenophora tritici-repentis ToxA gen (sekretovaný toxin) Friesen a kol. 2006, Nature Genetics

HGT mezi parazitem a hostitelem Corradi a kol. 2015

HGT v rámci anaerobní niky - entamoeby BS > 80% Grant a kol. 2014

Endosymbiotický genový přenos Timmis et al. (2004) Intracelulárni endosymbionti majú pôvod vo volne žijúcich prokaryotoch. Endosymbiózy dali vzniknúť dvom typicky eukaryotickým organelám a to mitochondriám a chloroplastom. MT vznikli a a-proteobaktérie a CP z cyanobaktérie. Obe endosymbiózy predstavujú kľúčové udalosti v procese eukaryogenézy. Existencia dvoch ďalších genetických kompartmentov okrem jadra činí eukaryotickú bunku jedinečnou.

Velikosti a kódovací kapacity organelových a prokaryotických genomů Cyanobaktérie: Synechocystis: 3573 kbp/ 3168 proteinů Prochlorococcus marinus: 1660 kbp/ 1884 Nostoc punctiforme: 9000 kbp/ 7400 Řasy: Porphyra purpurea: 191 kbp/ 200 Cyanidium caldarium: 165 kbp/ 197 Guillardia theta: 122 kbp/ 148 Cyanophora paradoxa: 136 kbp/ 136 Odontella sinensis: 120 kbp/ 124 Euglena gracilis: 143 kbp/ 58 α-proteobaktérie: Caulobacter crescentus: 4017 kbp/ 3767 Mesorhizobium loti: 7596 kbp/ 7281 Bradyrhizobium japonicum: 9100 bp/ 8300 Prvoci: Reclinomonas americana: 69 kbp/ 67 Malawimonas jakobiformis: 47 kbp/ 49 Naegleria gruberi: 50 kbp/ 46 Dictyostelium discoideum: 56 kbp/ 40 Plasmodium falciparum: 6 kbp/ 3 !Hydrogenosomy, mitosomy: 0 kbp/ 0 Usídľovanie endosymbiontov sprevádzal masívny presun ich génov do hostitelského jadra. Niektoré MT genomy dosahujú skorej velkosti plasmidov jako prokaryotických genomov. Osekvenované plastidové genomy kódujú od 20 do 200 proteinov, MT genomy kódujú od 3 do 67 proteínov. Timmis et al. (2004)

Mitochondriální genom Prošel výraznou redukcí Současné a-proteobakterie 834 genů (parazitcká Rickettsia), 4000 genů (Rhodospirillum) Mitochondrie 68-2 (0) genů, většinou 12-20 Andalucia godoyi Chromera velia Anaerobní homology mitochondrie Ztráta genů - nepotřebné geny jsou zaplaveny mutacemi a pak postupně deletovány. Přenos do jádra (obdoba LGT) - proces stále probíhá 1 gen za 105 generací uměle vytvořeného systému v kvasince S. cerevisiae. U větších genomů jsou kódující oblasti vyznačeny červeně.

Plastidový genom

Množství detekovaných EGT genů Makai 2015, PloS ONE

EGT stále probíhá Mitochondrie kvasinky ~2 x 10-5 za generaci (Thorsnes a Fox 1990) NUMT, NUPT 1 z 5 000 000 buněk Stegemann a kol. 2003

NUMT, NUPT Makai 2015, PloS ONE

Obsah genů v plastidových genomech

Terciární endosymbióza - obrněnky Burki a kol. 2014

Shopping bag model Curtis a kol. 2012, Nature

HGT compenzuje redukci pl. genomu Nowack et al. 2016

Literatura Téma na esej: Případy HGT u protist knihy Horizontal Gene Transfer (Genomes in Flux), 2009. a Lateral Gene Transfer in Evolution, 2013. Keeling PJ, Palmer JD. Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution. Nat Rev Genet. 2008 Aug;9(8):605-18. Alsmark C, Foster PG, Sicheritz-Ponten T, Nakjang S, Embley TM, Hirt RP. Patterns of prokaryotic lateral gene transfers affecting parasitic microbial eukaryotes. Genome Biol. 2013 Feb 25;14(2):R19. Andersson JO. Gene transfer and diversification of microbial eukaryotes. Annu Rev Microbiol. 2009;63:177-93.