Chuyển gen ngang

Chuyển gen ngang là sự di chuyển của vật chất di truyền (DNA hoặc RNA) giữa các tế bào hoặc cơ thể sống cùng thế hệ, còn được gọi là truyền gen theo hàng ngang, 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. 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 thông qua giao phối và thụ tinh. HGT (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 DNA của cá thể này chuyển giao cho cá thể kia, tạo ra bộ gen mới không hề có giao phối và thụ tinh. Chính hiện tượng này là cơ chế phát tán tính chống thuốc kháng sinh ở rất nhiều loài vi khuẩn. 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 do nội cộng sinh này cũng là hiện tượng chuyển gen ngang. Tương tự thế, các gen của virut (DNA hoặc RNA) cũng có thể chuyển theo hàng 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. 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. 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 tượng HGT của vi khuẩn trong tự nhiên. 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. 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). 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". 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. 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. 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 DNA lục lạp được trao đổi. Điều tương tự cũng xảy ra với DNA 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. 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 DNA của nó vào chèn được bộ gen của người. Có ý kiến cho rằng việc chuyển gen ngang: người - vi khuẩn - người đã đóng vai trò phát sinh gen gây ung thư. Mặc dù chưa có tổng kết chính thức đầy đủ về vai trò của 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). Cơ chế HGT rất phức tạp, diễn ra ở mỗi nhóm loài không như nhau. Sau đây là một số. 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 DNA hoặc RNA) từ loài này "xâm nhập" rồi "định cư" tại vật chủ nhận gen. Xem chi tiết hơn ở trang "Biến nạp" và "Kỹ thuật di truyền". Tải nạp (transduction) là quá trình DNA của virut được chuyển vào vi khuẩn, hoặc từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác nhờ virut (gồm cả thể thực khuẩn). 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). Đây là quá trình chuyển DNA-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. Nhân tố chuyển gen (gene transfer agents) là các nhân tố giống như virut được tìm thấy ở nhóm vi khuẩn Rhodobacterales thuộc Alphaproteobacteria. Ở nhóm virut, có một loại tên là Mimivirus lây nhiễm amip. Một loại vi rút khác, được gọi là Sputnik ("virut vệ tinh") cũng lây nhiễm amip, nhưng nó không thể sinh sôi nảy nở trừ khi Mimivirus đã nhiễm vào cùng một tế bào chủ. Bộ gen của "virut vệ tinh" cho thấy đặc điểm sinh học của nó: trong số 13 gen của nó ít giống với bất kỳ gen nào khác đã biết, có 3 gen có liên quan mật thiết với các gen ở mimivirus, như là cần "cộng sinh" với chúng trong lịch sử tiến hóa, nên có tác giả gọi nó là virophague (virut kí sinh virut, như thể thực khuẩn). Điều này cho thấy rằng "virut vệ tinh" đã thực hiện chuyển gen theo chiều ngang giữa các virut, tương tự như phương thức các vi khuẩn chuyển gen ngang cho nhau. Ở vi khuẩn, biến nạp tự nhiên là sự thích nghi của vi khuẩn để chuyển DNA theo kiểu HGT. Nói chung, biến nạp có cơ chế phức tạp, đòi hỏi nhiều năng lượng. Để vi khuẩn có thể liên kết, tiếp nhận và tái tổ hợp DNA "ngoại lai" vào nhiễm sắc thể của nó, nó phải ở trạng thái sinh lý đặc biệt. Chẳng hạn, ở Bacillus subtilis trạng thái này đòi hỏi sự biểu hiện của khoảng 40 gen. Sinh vật biến đổi gen. Nhân tố chuyển vị ngược. Nhân tố chuyển vị LTR. Thuyết nội cộng sinh. Cây phát sinh chủng loại. Cây phát sinh sự sống. Citizendium:Horizontal gene transfer Citizendium:Horizontal gene transfer in prokaryotes Citizendium:Horizontal gene transfer in plants Citizendium:Horizontal gene transfer (History) Gyles, C; Boerlin, P (tháng 3 năm 2014). “Horizontally transferred genetic elements and their role in pathogenesis of bacterial disease”. Vet Pathol. 51 (2): 328–40. doi:10.1177/0300985813511131. PMID 24318976. – Papers by Dr Michael Syvanen on Horizontal Gene Transfer Salzberg SL, White O, Peterson J, Eisen JA (tháng 6 năm 2001). “Microbial genes in the human genome: lateral transfer or gene loss?” (PDF). Science. 292 (5523): 1903–6. Bibcode:2001Sci...292.1903S. doi:10.1126/science.1061036. PMID 11358996. Bản gốc (PDF) lưu trữ ngày 1 tháng 9 năm 2006. Truy cập ngày 16 tháng 10 năm 2019. About 40 genes were found to be exclusively shared by humans and bacteria and are candidate examples of horizontal transfer from bacteria to vertebrates. Gene loss combined with sample size effects and evolutionary rate variation provide an alternative, more biologically plausible explanation Qi, Z; Cui, Y; Fang, W; Ling, L; Chen, R (tháng 1 năm 2004). “Autosomal similarity revealed by eukaryotic genomic comparison”. Journal of Biological Physics. 30 (4): 305–12. doi:10.1007/s10867-004-0996-0. PMC 3456315. PMID 23345874. Woese CR (tháng 6 năm 2002). “On the evolution of cells”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 99 (13): 8742–7. Bibcode:2002PNAS...99.8742W. doi:10.1073/pnas.132266999. PMC 124369. PMID 12077305. This article seeks to shift the emphasis in early phylogenic adaptation from vertical to horizontal gene transfer. He uses the term "Darwinian Threshold" for the time of major transition of evolutionary mechanisms from mostly horizontal to mostly vertical transfer, and the "origin of speciation". Snel B, Bork P, Huynen MA (tháng 1 năm 1999). “Genome phylogeny based on gene content”. Nat. Genet. 21 (1): 108–10. doi:10.1038/5052. PMID 9916801. This article proposes using the presence or absence of a set of genes to infer phylogenies, in order to avoid confounding factors such as horizontal gene transfer. Webfocus in Nature with free review articles [1] Patil PB, Sonti RV (tháng 10 năm 2004). “Variation suggestive of horizontal gene transfer at a lipopolysaccharide (lps) biosynthetic locus in Xanthomonas oryzae pv. oryzae, the bacterial leaf blight pathogen of rice”. BMC Microbiol. 4 (1): 40. doi:10.1186/1471-2180-4-40. PMC 524487. PMID 15473911. Jin G, Nakhleh L, Snir S, Tuller T (tháng 11 năm 2006). “Maximum likelihood of phylogenetic networks”. Bioinformatics. 22 (21): 2604–11. doi:10.1093/bioinformatics/btl452. PMID 16928736. for a technique to decrease the impact of HGT events on maximum likelihood cladistical analyses. Horizontal Gene Transfer – A New Paradigm for Biology Lưu trữ 2012-07-21 tại Wayback Machine Horizontal Gene Transfer (page 334 of Molecular Genetics by Ulrich Melcher) Horizontal Gene Transfer at sciences.sdsu.edu 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. doi:10.1073/pnas.96.7.3801. PMC 22375. PMID 10097118. PDF article on Horizontal Gene Transfer The New Yorker, ngày 12 tháng 7 năm 1999, pp. 44–61 "Smallpox knows how to make a mouse protein. How did smallpox learn that? 'The poxviruses are promiscuous at capturing genes from their hosts,' Esposito said. 'It tells you that smallpox was once inside a mouse or some other small rodent.'" Szpirer C, Top E, Couturier M, Mergeay M (ngày 1 tháng 12 năm 1999). “Retrotransfer or gene capture: a feature of conjugative plasmids, with ecological and evolutionary significance”. Microbiology. 145 (Pt 12): 3321–9. doi:10.1099/00221287-145-12-3321. PMID 10627031. GMO Safety: Results of research into horizontal gene transfer Lưu trữ 2011-07-21 tại Wayback Machine Can transgenes from genetically modified plants be absorbed by micro-organisms and spread in this way? Whitaker JW, McConkey GA, Westhead DR (2009). “The transferome of metabolic genes explored: analysis of the horizontal transfer of enzyme encoding genes in unicellular eukaryotes”. Genome Biology. 10 (4): R36. doi:10.1186/gb-2009-10-4-r36. PMC 2688927. PMID 19368726. ^ Keeling, P. J., & Palmer, J.D. (2008). “Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution”. Nature Reviews Genetics. 9 (8): 605–618. doi:10.1038/nrg2386. PMID 18591983.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết) ^ a b c Campbell và cộng sự: "Sinh học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2010. ^ "Sinh học 12" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2019. ^ 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. doi:10.1038/35012500. PMID 10830951.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết) ^ Dunning Hotopp, J. C. (tháng 4 năm 2011). “Horizontal gene transfer between bacteria and animals”. Trends in Genetics. 27 (4): 157–163. doi:10.1016/j.tig.2011.01.005. PMC 3068243. PMID 21334091. ^ 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. doi:10.1371/journal.pgen.1003877. PMC 3798261. PMID 24146634.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết) ^ a b 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. doi:10.1177/0300985813511131. PMID 24318976. ^ 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. ^ a b Phạm Thành Hổ: "Di truyền học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 1998. ^ a b Đỗ Lê Thăng: "Di truyền học" - Nhà xuất bản Giáo dục, 2005. ^ OECD, Safety Assessment of Transgenic Organisms, Volume 4: OECD Consensus Documents, 2010, pp.171-174 ^ 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. doi:10.1128/aem.68.7.3345-3351.2002. PMC 126776. PMID 12089013. ^ Koonin EV, Makarova KS, Aravind L (2001). “Horizontal gene transfer in prokaryotes: quantification and classification”. Annu. Rev. Microbiol. 55 (1): 709–42. doi:10.1146/annurev.micro.55.1.709. PMC 4781227. PMID 11544372. ^ Nielsen KM (1998). “Barriers to horizontal gene transfer by natural transformation in soil bacteria”. APMIS. 84 (S84): 77–84. doi:10.1111/j.1600-0463.1998.tb05653.x. PMID 9850687. ^ 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. Bản gốc lưu trữ ngày 19 tháng 9 năm 2019. Truy cập ngày 16 tháng 10 năm 2019. ^ 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. doi:10.3389/fcimb.2012.00161. PMC 3522046. PMID 23248780. ^ 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. ^ 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. doi:10.1111/j.1574-6968.2012.02589.x. PMID 22553940. ^ 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. doi:10.1099/jgv.0.000329. PMID 26537974. ^ 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. ^ 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. Chú thích journal cần |journal= (trợ giúp) ^ Griffith, Fred. (tháng 1 năm 1928). “The Significance of Pneumococcal Types”. Journal of Hygiene. Cambridge University Press. 27 (2): 113–159. doi:10.1017/S0022172400031879. JSTOR 4626734. PMC 2167760. PMID 20474956. ^ 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. ^ Downie, A. W. (1972). “Pneumococcal transformation — a backward view: Fourth Griffith Memorial Lecture” (PDF). Journal of General Microbiology. 73 (1): 1–11. doi:10.1099/00221287-73-1-1. PMID 4143929. Truy cập ngày 30 tháng 11 năm 2011. ^ 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. ^ Phillip Marguilies "Epidemics: Deadly diseases throughout history". Rosen, New York. 2005. ^ 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 Nhật). 1861: 34.Quản lý CS1: nhiều tên: danh sách tác giả (liên kết) ^ 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. doi:10.1016/S0022-5193(85)80291-5. PMID 2984477. ^ 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. doi:10.1073/pnas.96.7.3801. PMC 22375. PMID 10097118. ^ 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. doi:10.1186/1471-2148-5-33. PMC 1156881. PMID 15913459. ^ Le Page, Michael (ngày 17 tháng 3 năm 2016). “Farmers may have been accidentally making GMOs for millennia” (bằng tiếng Anh). The New Scientist. Truy cập ngày 11 tháng 7 năm 2016. ^ Yong, Ed (ngày 14 tháng 2 năm 2010). “Genes from Chagas parasite can transfer to humans and be passed on to children” (bằng tiếng Anh). National Geographic. Truy cập ngày 13 tháng 7 năm 2016. ^ 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. doi:10.1371/journal.pcbi.1003107. PMC 3688693. PMID 23840181. ^ Gogarten, Peter (2000). “Horizontal Gene Transfer: A New Paradigm for Biology”. Esalen Center for Theory and Research Conference. Bản gốc lưu trữ ngày 21 tháng 7 năm 2012. Truy cập ngày 18 tháng 3 năm 2007. ^ Kenneth Todar. “Bacterial Resistance to Antibiotics”. The Microbial World: Lectures in Microbiology, Department of Bacteriology, University of Wisconsin-Madison. Bản gốc lưu trữ ngày 15 tháng 1 năm 2012. Truy cập ngày 6 tháng 1 năm 2012. ^ Stanley Maloy (ngày 15 tháng 7 năm 2002). “Horizontal Gene Transfer”. San Diego State University. Truy cập ngày 6 tháng 1 năm 2012. ^ a b c Stearns, S. C., & Hoekstra, R. F. (2005). Evolution: An introduction (2nd ed.). Oxford, NY: Oxford Univ. Press. pp. 38-40. ^ 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 ^ “Giao nạp (Conjugation)”. Bản gốc lưu trữ ngày 31 tháng 12 năm 2019. ^ Maxmen, A. (2010). “Virus-like particles speed bacterial evolution”. Nature. doi:10.1038/news.2010.507. ^ “The virophage as a unique parasite of the giant mimivirus”. ^ Helen Pearson. “"Virophage" suggests viruses are alive”. ^ Jonathan M.Solomon & Alan D.Grossman. “Who's competent and when: regulation of natural genetic competence in bacteria”.