Chuyển gen ngang

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới điều hướng Bước tới tìm kiếm
Hình 1: Cây phát sinh sự sống mô tả chuyền gen dọc (đường màu xanh dương) và chuyền gen ngang (màu lục vàng).

Chuyển gen ngang là sự di chuyển của vật chất di truyền (ADN hoặc ARN) giữa các tế bào hoặc cơ thể sống cùng thế hệ,[1][2] còn được gọi là truyền gen theo hàng ngang,[3] để phân biệt với "chuyển gen theo hàng dọc" là quá trình kế thừa gen từ bố mẹ sang con cái thông qua sinh sản.[4][5][6]

Thuật ngữ này dịch từ tiếng Anh là horizontal gene transfer (chuyển gen theo chiều ngang, hoặc chuyển gen hàng bên) viết tắt là HGT. Chuyển gen ngang phổ biến trong các loài vi khuẩn, còn trong tiến hoá thì quá trình này đóng vai trò rất quan trọng giúp các bộ gen của các loài rất khác nhau có thể trao đổi vật chất di truyền cho nhau mà không cần (và cũng không thể) thông qua giao phối và thụ tinh.[7][8]

Tổng quan[sửa | sửa mã nguồn]

  • Hiện tượng chuyển gen ngang đã được phát hiện từ lâu trong vi khuẩn học. Chẳng hạn: giữa hai cá thể trực khuẩn E. coli cùng thế hệ đã tiếp hợp, rồi qua lông giới tính mà ADN của cá thể này chuyển giao cho cá thể kia, tạo ra bộ gen mới không hề có giao phối và thụ tinh.[9][10] Chính hiện tượng này là cơ chế phát tán tính chống thuốc kháng sinh ở rất nhiều loài vi khuẩn.[7][11][12][13][14]
  • Trong quá trình nội cộng sinh xa xưa, một loại vi khuẩn hiếu khí đã "chui" vào tế bào nhân thực cổ, từ đó hình thành nên ty thể ở hầu hết các tế bào sống ngày nay. Tương tự, sự chuyển gen ngang từ một loại vi khuẩn quang hợp xa xưa vào tổ tiên của thực vật đã hình thành nên lục lạp ở tất cả các cây xanh ngày nay (chi tiết vấn đề này xem ở trang nội cộng sinh). Những hiện tượng tiến hoá nội cộng sinh này cũng là hiện tượng chuyển gen ngang.
  • Tương tự thế, các gen của virut (ADN hoặc ARN) cũng có thể chuyển ngang vào cơ thể sinh vật bậc cao, từ đó có thể góp phần tạo nên vốn gen của các sinh vật bậc cao này cho đến nay.[15][16][17][18][19]
  • Có thể do thói quen tư duy và cũng còn do sự phát triển của khoa học và công nghệ, nên hầu hết suy nghĩ về di truyền và kế thừa gen hiện nay đều đã chỉ tập trung vào "di truyền theo chiều dọc" qua các thế hệ của sinh vật, nhưng tầm quan trọng của việc chuyển gen ngang giữa trong quá trình tiến hoá không chỉ được thừa nhận mà việc nghiên cứu chúng phát triển mạnh.[20][21]

Ý tưởng ban đầu của phương pháp chuyển gen nhân tạo (gene delivery) trong kỹ thuật di truyền có thể được gợi mở từ hiện tương chuyển gen ngang trong tự nhiên của vi khuẩn.

Lược sử[sửa | sửa mã nguồn]

Hình 2: Chuyển gen ngang qua tiếp hợp giữa hai cá thể E. coli, trong đó ADN plasmit được "di truyền" sang cá thể cùng thế hệ qua tiếp hợp. Tế bào vi khuẩn bị "mất" ADN-plasmit gọi là tế bào cho (donor), còn vi khuẩn được kế thừa ADN-plasmit đó là tế bào nhận (recipient).
  • Năm 1928, Frederick Griffith đã công bố kết quả thí nghiệm, mà sau này thường được gọi bằng tên của ông, đó là thí nghiệm Griffith, được xem là bằng chứng đầu tiên về chuyển gen ngang.[22][23][24] Gần 30 năm sau, một bài báo khoa học đã mô tả và chứng minh rằng việc "tiêm" virut vào vi khuẩn bạch hầu Corynebacterium diphtheriae đã tạo ra một chủng có độc lực từ một chủng không độc (năm 1951).[25][26] Các nhà khoa học Nhật Bản đã mô tả lần đầu tiên về quá trình này trên một bài báo năm 1959 chứng minh sự chuyển gen chống kháng sinh giữa các loài vi khuẩn, từ đó gây ra sự "lây lan" vi khuẩn "nhờn thuốc".[27] Khi bản chất của gen đã được hiểu rõ hơn, vào những năm 1980, thì Syvanen dự đoán rằng sự chuyển gen ngang tham gia vào việc quá trình tiến hóa của sinh giới kể từ khi sự sống bắt đầu trên Trái Đất.[28] Sau đó, nhiều nhà khoa học cũng đồng ý với dự đoán này và có bằng chứng chứng tỏ chuyển gen ngang là một cơ chế tiến hóa quan trọng trong quá trình tiến hóa.[29][30]
  • Tiếp theo, sự chuyển gen ngang - từ một vài sự kiện riêng lẻ và đã gây lạ lẫm - lại trở thành khá phổ biến. Chẳng hạn như khi ghép một cành của cây này sang thân của cây khác có thể xảy ra quá trình chuyển lục lạp giữa hai cây, qua đó thì ADN lục lạp được trao đổi. Điều tương tự cũng xảy ra với ADN ty thể và những hiện tượng đó có nghĩa là tế bào "lai" chứa bộ gen có thể phát sinh dạng mới, thậm chí một loài mới.[31] Vết cắn từ côn trùng Reduviidae có thể, thông qua ký sinh trùng, lây nhiễm cho người mắc trypanosomal từ đó gây ra bệnh Chagas, và ADN của nó vào chèn được bộ gen của người.[32] Có ý kiến cho rằng việc chuyển gen ngang: người - vi khuẩn - người đã đóng vai trò phát sinh gen gây ung thư.[33]
  • Mặc dù chưa có tổng kết chính thức về vai trò của Chuyển gen ngang (HGT) trong tiến hoá, nhưng số lượng bằng chứng ngày càng gia tăng, sự phổ biến và tầm quan trọng của HGT trong sự tiến hóa ngày càng nhiều nên nhà sinh học phân tử Peter Gogarten đã gọi HGT là "một dạng thức mới cho sinh học" (A New Paradigm for Biology).[34]

Cơ chế[sửa | sửa mã nguồn]

Hình 3: Gen tương đồng và gen tương tự.Sơ đồ trên: Gen tổ tiên A (đen) - theo truyền gen hàng dọc- tạo ra hai bản tương đồng (parolog) là gen A (đỏ) và gen B (xanh). Trong quá trình phát sinh loài, đã tạo ra hai loài chị em (species1 và species2). Sơ đồ dưới: Gen C (đen) ở loài 3 có chức năng tương tự, nhưng lại có nguồn gốc tiến hóa tách biệt.

Cơ chế HGT rất phức tạp, diễn ra ở mỗi nhóm loài không như nhau. Sau đây là một số.[35][36]

  • Biến nạp (transformation) là sự thay đổi vật chất di truyền của tế bào do tế bào "hấp thu" vật chất di truyền ngoại lai. Qua cơ chế này, vật liệu di truyền (là ADN hoặc ARN) từ loài này "xâm nhập" rồi "định cư" tại vật chủ nhận gen.[2][37][38] Xem chi tiết hơn ở trang "Biến nạp" và "Kỹ thuật di truyền".
  • Tải nạp (transduction) là quá trình ADN của virut được chuyển vào vi khuẩn, hoặc từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác nhờ virut (gồm cả thể thực khuẩn).[2][37] Xem chi tiết hơn ở trang "Tải nạp" và "Kỹ thuật di truyền".
  • Tiếp hợp vi khuẩn (bacterial conjugation) hoặc còn gọi là giao nạp (conjugation).[9][10][39] Đây là quá trình chuyển ADN-plasmit từ tế bào vi khuẩn này (tế bào cho) sang tê bào vi khuẩn khác (tế bào nhận) qua quá trình gọi là tiếp hợp ở vi khuẩn (hình 2) được coi như là một kiểu sinh sản "hữu tính" nhờ lông tiếp hợp.[37]
  • Nhân tố chuyển gen (gene transfer agents) là các nhân tố giống như virut được tìm thấy ở nhóm vi khuẩn Rhodobacterales thuộc Alphaproteobacteria.[40]

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Đọc đủ hơn[sửa | sửa mã nguồn]

Nguồn trích dẫn[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Keeling, P. J., & Palmer, J.D. (2008). “Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution”. Nature Reviews Genetics 9 (8): 605–618. PMID 18591983. doi:10.1038/nrg2386. 
  2. ^ a ă â Campbell và cộng sự: "Sinh học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2010.
  3. ^ "Sinh học 12" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2019.
  4. ^ Ochman, H., Lawrence, J. G., & Groisman, E. A. (tháng 5 năm 2000). “Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation”. Nature 405 (6784): 299–304. Bibcode:2000Natur.405..299O. PMID 10830951. doi:10.1038/35012500. 
  5. ^ Dunning Hotopp, J. C. (tháng 4 năm 2011). “Horizontal gene transfer between bacteria and animals”. Trends in Genetics 27 (4): 157–163. PMC 3068243. PMID 21334091. doi:10.1016/j.tig.2011.01.005. 
  6. ^ Robinson, K. M., Sieber, K. B., & Dunning Hotopp, J. C. (tháng 10 năm 2013). “A review of bacteria-animal lateral gene transfer may inform our understanding of diseases like cancer”. PLoS Genet 9 (10): e1003877. PMC 3798261. PMID 24146634. doi:10.1371/journal.pgen.1003877. 
  7. ^ a ă Gyles, C.; Boerlin, P. (tháng 3 năm 2014). “Horizontally transferred genetic elements and their role in pathogenesis of bacterial disease”. Veterinary Pathology 51 (2): 328–340. PMID 24318976. doi:10.1177/0300985813511131. 
  8. ^ Vaux, Felix; Trewick, Steven A.; Morgan-Richards, Mary (2017). “Speciation through the looking-glass”. Biological Journal of the Linnean Society 120 (2): 480–488. doi:10.1111/bij.12872. 
  9. ^ a ă Phạm Thành Hổ: "Di truyền học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 1998.
  10. ^ a ă Đỗ Lê Thăng: "Di truyền học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2005.
  11. ^ OECD, Safety Assessment of Transgenic Organisms, Volume 4: OECD Consensus Documents, 2010, pp.171-174
  12. ^ Kay E, Vogel TM, Bertolla F, Nalin R, Simonet P (tháng 7 năm 2002). “In situ transfer of antibiotic resistance genes from transgenic (transplastomic) tobacco plants to bacteria”. Appl. Environ. Microbiol. 68 (7): 3345–51. PMC 126776. PMID 12089013. doi:10.1128/aem.68.7.3345-3351.2002. 
  13. ^ Koonin EV, Makarova KS, Aravind L (2001). “Horizontal gene transfer in prokaryotes: quantification and classification”. Annu. Rev. Microbiol. 55 (1): 709–42. PMC 4781227. PMID 11544372. doi:10.1146/annurev.micro.55.1.709. 
  14. ^ Nielsen KM (1998). “Barriers to horizontal gene transfer by natural transformation in soil bacteria”. APMIS 84 (S84): 77–84. PMID 9850687. doi:10.1111/j.1600-0463.1998.tb05653.x. 
  15. ^ McGowan C, Fulthorpe R, Wright A, Tiedje JM (tháng 10 năm 1998). “Evidence for interspecies gene transfer in the evolution of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid degraders”. Appl. Environ. Microbiol. 64 (10): 4089–92. PMC 106609. PMID 9758850. 
  16. ^ Keen, E. C. (tháng 12 năm 2012). “Paradigms of pathogenesis: Targeting the mobile genetic elements of disease”. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology 2: 161. PMC 3522046. PMID 23248780. doi:10.3389/fcimb.2012.00161. 
  17. ^ Naik GA, Bhat LN, Chpoade BA, Lynch JM (1994). “Transfer of broad-host-range antibiotic resistance plasmids in soil microcosms”. Curr. Microbiol. 28 (4): 209–215. doi:10.1007/BF01575963. 
  18. ^ Varga M, Kuntova L, Pantucek R, Maslanova I, Ruzickova V, Doskar J (2012). “Efficient transfer of antibiotic resistance plasmids by transduction within methicillin-resistant Staphylococcus aureus USA300 clone”. FEMS Microbiol. Lett. 332 (2): 146–152. PMID 22553940. doi:10.1111/j.1574-6968.2012.02589.x. 
  19. ^ Varga M, Pantucek R, Ruzickova V, Doskar J (2016). “Molecular characterization of a new efficiently transducing bacteriophage identified in meticillin-resistant Staphylococcus aureus”. Journal of General Virology 97 (1): 258–268. PMID 26537974. doi:10.1099/jgv.0.000329. 
  20. ^ Lin Edwards (ngày 4 tháng 10 năm 2010). “Horizontal gene transfer in microbes much more frequent than previously thought”. PhysOrg.com. Truy cập ngày 6 tháng 1 năm 2012. 
  21. ^ Carrie Arnold (ngày 18 tháng 4 năm 2011). “To Share and Share Alike: Bacteria swap genes with their neighbors more frequently than researchers have realized”. Scientific American. doi:10.1038/scientificamerican0411-30. Truy cập ngày 6 tháng 1 năm 2012. 
  22. ^ Griffith, Fred. (tháng 1 năm 1928). “The Significance of Pneumococcal Types”. Journal of Hygiene (Cambridge University Press) 27 (2): 113–159. JSTOR 4626734. PMC 2167760. PMID 20474956. doi:10.1017/S0022172400031879. 
  23. ^ Lorenz, M. G.; Wackernagel, W. (ngày 1 tháng 9 năm 1994). “Bacterial gene transfer by natural genetic transformation in the environment”. Microbiological Reviews 58 (3): 563–602. PMC 372978. PMID 7968924. 
  24. ^ Downie, A. W. (1972). “Pneumococcal transformation — a backward view: Fourth Griffith Memorial Lecture” (PDF). Journal of General Microbiology 73 (1): 1–11. PMID 4143929. doi:10.1099/00221287-73-1-1. Truy cập ngày 30 tháng 11 năm 2011. 
  25. ^ Freeman, Victor J (1951). “Studies on the virulence of bacteriophage-infected strains of Corynebacterium Diphtheriae. Journal of Bacteriology 61 (6): 675–688. PMC 386063. PMID 14850426. 
  26. ^ Phillip Marguilies "Epidemics: Deadly diseases throughout history". Rosen, New York. 2005.
  27. ^ Ochiai K, Yamanaka T, Kimura K, Sawada, O (1959). “Inheritance of drug resistance (and its transfer) between Shigella strains and Between Shigella and E. coli strains”. Hihon Iji Shimpor (bằng tiếng Japanese) 1861: 34. 
  28. ^ Syvanen M (tháng 1 năm 1985). “Cross-species gene transfer; implications for a new theory of evolution” (PDF). J. Theor. Biol. 112 (2): 333–43. PMID 2984477. doi:10.1016/S0022-5193(85)80291-5. 
  29. ^ Jain R, Rivera MC, Lake JA (tháng 3 năm 1999). “Horizontal gene transfer among genomes: The complexity hypothesis”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96 (7): 3801–6. Bibcode:1999PNAS...96.3801J. PMC 22375. PMID 10097118. doi:10.1073/pnas.96.7.3801. 
  30. ^ Bapteste E, Susko E, Leigh J, MacLeod D, Charlebois RL, Doolittle WF (2005). “Do orthologous gene phylogenies really support tree-thinking?”. BMC Evol. Biol. 5 (1): 33. PMC 1156881. PMID 15913459. doi:10.1186/1471-2148-5-33. 
  31. ^ Le Page, Michael (17 tháng 3 năm 2016). “Farmers may have been accidentally making GMOs for millennia” (bằng tiếng English). The New Scientist. Truy cập ngày 11 tháng 7 năm 2016. 
  32. ^ Yong, Ed (14 tháng 2 năm 2010). “Genes from Chagas parasite can transfer to humans and be passed on to children” (bằng tiếng English). National Geographic. Truy cập ngày 13 tháng 7 năm 2016. 
  33. ^ Riley, DR; Sieber, KB; Robinson, KM; White, JR; Ganesan, A và đồng nghiệp (2013). “Bacteria-Human Somatic Cell Lateral Gene Transfer Is Enriched in Cancer Samples”. PLoS Comput Biol 9 (6): e1003107. Bibcode:2013PLSCB...9E3107R. PMC 3688693. PMID 23840181. doi:10.1371/journal.pcbi.1003107. 
  34. ^ Gogarten, Peter (2000). “Horizontal Gene Transfer: A New Paradigm for Biology”. Esalen Center for Theory and Research Conference. Truy cập ngày 18 tháng 3 năm 2007. 
  35. ^ Kenneth Todar. “Bacterial Resistance to Antibiotics”. The Microbial World: Lectures in Microbiology, Department of Bacteriology, University of Wisconsin-Madison. Truy cập ngày 6 tháng 1 năm 2012. 
  36. ^ Stanley Maloy (ngày 15 tháng 7 năm 2002). “Horizontal Gene Transfer”. San Diego State University. Truy cập ngày 6 tháng 1 năm 2012. 
  37. ^ a ă â Stearns, S. C., & Hoekstra, R. F. (2005). Evolution: An introduction (2nd ed.). Oxford, NY: Oxford Univ. Press. pp. 38-40.
  38. ^ R. Bock and V. Knoop (eds.), Genomics of Chloroplasts and Mitochondria, Advances in Photosynthesis and Respiration 35, pp. 223–235 doi:10.1007/978-94-007-2920-9_10, Springer Science+Business Media B.V. 2012
  39. ^ “Giao nạp (Conjugation)”. 
  40. ^ Maxmen, A. (2010). “Virus-like particles speed bacterial evolution”. Nature. doi:10.1038/news.2010.507.