معلومة

ما هو اصل البلازميدات؟

ما هو اصل البلازميدات؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كما أفهمها ، فإن البلازميدات ، مثل الميتوكوندريا ، لها موادها الجينية الخاصة بها وهي قادرة على التكاثر الذاتي.

وفقًا لـ Wikipedia: تعتبر البلازميدات نسخًا متماثلة ، وهي وحدات من الحمض النووي قادرة على التكاثر بشكل مستقل داخل مضيف مناسب. ومع ذلك ، مثل الفيروسات ، لا يتم تصنيفها على أنها حياة. تنتقل البلازميدات من بكتيريا إلى أخرى من خلال الاقتران. على عكس الفيروسات ، فإن البلازميدات عبارة عن حمض نووي "عاري". ومع ذلك ، فإن بعض فئات البلازميدات تشفر "الجنس" المقترن الضروري لنقلها.

ما أفهمه هو أن البكتيريا تحصل على بلازميداتها ليس بسبب تكرار كروموسومها الدائري ، ولا لأن هذا الكروموسوم يحتوي على جينات لتشفير البلازميد (لا أعرف حقًا ما إذا كان ذلك ممكنًا) ، ولكن بسبب الذات- تكرار البلازميدات الخاصة بهم.

إذن ، سؤالي هو كيف وصل البلازميد الأول إلى البكتيريا الأولى ، إذا لم تكن موجودة في كروموسوماتها؟ هل كانت عبارة عن خلية بدائية النواة فيروسية أخرى لها دنا دائري ، وقد تم بلعمها بواسطة تلك البكتيريا؟


البلازميدات 101: تاريخ موجز للبلازميدات وكتاب إلكتروني مُحسَّن!

الأرومات الحيوية؟ البلازما؟ في الأربعينيات والخمسينيات من القرن الماضي ، كان العلماء يعملون على فهم العوامل السيتوبلازمية الجينية التي يمكن أن تنتقل بين الخلايا. في ذلك الوقت ، كان يُنظر إلى عوامل الوراثة خارج النواة هذه على أنها كل شيء من الطفيليات إلى المتعايشين والجينات وكانت التسميات المطبقة عليها غامضة أو متناقضة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى حقيقة أنه لم يُعرف سوى القليل جدًا عن الدور الذي تلعبه هذه العوامل داخل الكائن الحي.

إذن كيف حصلت البلازميدات على أسمائها؟

في عام 1952 ، شرع Joshua Lederberg في توضيح تصنيف عوامل الوراثة السيتوبلازمية هذه. واقترح المصطلح الشامل "بلازميد" المشتق كمزيج من "السيتوبلازم" و "id" (اللاتينية لـ "it") ، باعتباره "مصطلحًا عامًا لأي محدد وراثي خارج الكروموسومات". اقتراحه ، ومع ذلك ، تم تجاهل في الأساس. تم اقتراح مصطلح منفصل ، "episome" ، على أنه "عنصر وراثي غير أساسي يمكن أن يوجد إما بشكل مستقل أو مدمج في الكروموسوم" بعد بضع سنوات من قبل إيلي جاكوب وفرانسوا وولمان وأصبح الاسم المعتمد على نطاق واسع لهذه العناصر. في ذلك الوقت ، بدا استخدام episome مناسبًا ، خاصة وأن عامل الخصوبة ، أو عامل F الذي اكتشفه Ester Lederberg في عام 1952 قد لوحظ أنه يتكامل مع بكتريا قولونية كروموسوم في بعض الحالات. استمر هذا المصطلح حتى الستينيات عندما بدأ العلماء في دراسة الجسيمات خارج الصبغيات الأخرى ، وخاصة المقاومة أو عوامل R. مثل عوامل F ، يمكن نقل عوامل R بين البكتيريا عبر الاتصال من خلية إلى أخرى ، ومع ذلك ، لاحظ العلماء أنه على عكس عوامل F ، فإن الدليل لا يدعم فكرة أن العوامل R يمكن أن تندمج في الكروموسوم. وهكذا تم في النهاية إسقاط مصطلح "episome" ونحن نستخدم "البلازميد" منذ ذلك الحين!


محتويات

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، اقترح عمل جريجور مندل الرائد حول وراثة الصفات في نباتات البازلاء أن "عوامل" محددة (تم تحديدها حاليًا كجينات) هي المسؤولة عن نقل السمات العضوية بين الأجيال. [4] على الرغم من الافتراض في البداية أن البروتينات تعمل على أنها مادة وراثية ، إلا أن أفيري وماكلويد وماكارتي أسسوا الحمض النووي بعد قرن من الزمان ، والذي اكتشفه فريدريش ميشر ، كحامل للمعلومات الجينية. [5] مهدت هذه النتائج الطريق للبحث عن الطبيعة الكيميائية للحمض النووي وقواعد ترميز المعلومات الجينية ، وأدت في النهاية إلى اقتراح البنية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي بواسطة واطسون وكريك. [6] هذا النموذج ثلاثي الأبعاد للحمض النووي يضيء الآليات المحتملة التي يمكن من خلالها نسخ المعلومات الجينية بطريقة شبه تحفظية قبل انقسام الخلية ، وهي فرضية تم دعمها تجريبيًا في وقت لاحق من قبل Meselson و Stahl باستخدام دمج النظائر للتمييز بين الوالدين والمركب حديثًا الحمض النووي. [7] [8] كان العزل اللاحق لبوليميراز الحمض النووي ، الإنزيمات التي تحفز تخليق خيوط DNA الجديدة ، بواسطة كورنبيرج وزملائه الرائد في تحديد العديد من المكونات المختلفة لآلية تكرار الحمض النووي البيولوجي ، أولاً في نموذج الكائن الحي البكتيري بكتريا قولونية، ولكن لاحقًا أيضًا في أشكال الحياة حقيقية النواة. [2] [9]

إن أحد المتطلبات الأساسية لتكرار الحمض النووي هو أنه يجب أن يحدث بدقة عالية للغاية وكفاءة مرة واحدة بالضبط في كل دورة خلية لمنع تراكم التعديلات الجينية التي قد تكون لها عواقب ضارة على بقاء الخلية وحيوية الكائن الحي. [10] يمكن أن تؤدي أحداث تكرار الحمض النووي غير المكتملة أو الخاطئة أو المفاجئة إلى حدوث طفرات وتعدد الصبغيات الصبغية أو اختلال الصيغة الصبغية واختلافات في عدد نسخ الجينات ، وكل منها يمكن أن يؤدي بدوره إلى أمراض ، بما في ذلك السرطان. [11] [12] لضمان التكرار الكامل والدقيق للجينوم بأكمله والتدفق الصحيح للمعلومات الجينية إلى خلايا النسل ، لا يتم تنظيم جميع أحداث تكرار الحمض النووي بإحكام من خلال إشارات دورة الخلية فحسب ، بل يتم تنسيقها أيضًا مع الأحداث الخلوية الأخرى مثل النسخ وإصلاح الحمض النووي. [2] [13] [14] [15] بالإضافة إلى ذلك ، عادةً ما تحتوي تسلسلات المنشأ على نسبة عالية من AT في جميع الممالك ، نظرًا لأن تكرار الأدينين والثايمين أسهل في الفصل نظرًا لأن تفاعلات التراص الأساسية ليست قوية مثل تلك الموجودة في الجوانين و السيتوزين. [16]

ينقسم تكاثر الحمض النووي إلى مراحل مختلفة. أثناء البدء ، يتم تجميع آليات النسخ المتماثل - التي يطلق عليها repisomes - على الحمض النووي بطريقة ثنائية الاتجاه. تشكل مواقع التجميع هذه مواقع البدء لأصول النسخ المتماثل أو النسخ المتماثل للحمض النووي. في مرحلة الاستطالة ، تنتقل البدائل في اتجاهين متعاكسين مع شوكات النسخ المتماثل ، وتفكك حلزون الحمض النووي وتوليف خيوط الحمض النووي للابنة التكميلية باستخدام كل من الخيوط الأبوية كقوالب. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل ، تؤدي أحداث إنهاء محددة إلى تفكيك repisomes. طالما تم تكرار الجينوم بأكمله قبل انقسام الخلية ، فقد يفترض المرء أن موقع مواقع بدء النسخ المتماثل لا يهم بعد ، فقد ثبت أن العديد من الكائنات الحية تستخدم مناطق الجينوم المفضلة كأصول. [17] [18] من المحتمل أن تنشأ ضرورة تنظيم موقع المنشأ من الحاجة إلى تنسيق تكرار الحمض النووي مع العمليات الأخرى التي تعمل على قالب الكروماتين المشترك لتجنب انكسارات شرائط الحمض النووي وتلف الحمض النووي. [2] [12] [15] [19] [20] [21] [22] [23]

منذ أكثر من خمسة عقود ، اقترح جاكوب وبرينر وكوزين فرضية الريبلكون لشرح تنظيم تخليق الحمض النووي للكروموسومات في بكتريا قولونية. [24] يفترض النموذج أن مادة قابلة للانتشار ، عبر- عامل التأثير ، ما يسمى بالبادئ ، يتفاعل مع أ رابطة الدول المستقلة- فاعل عنصر الحمض النووي ، المضاعف ، لتعزيز بداية النسخ المتماثل في الأصل القريب. بمجرد ربطها بالنسخ المتماثل ، تقوم البادئات (غالبًا بمساعدة بروتينات اللودر المشترك) بإيداع الهليكازات التكرارية على الحمض النووي ، مما يؤدي لاحقًا إلى تجنيد مكونات إعادة السموم الإضافية وتجميع آلية النسخ بالكامل. وبالتالي تحدد أداة النسخ المتماثل موقع أحداث بدء النسخ المتماثل ، ويتم تعريف منطقة الكروموسوم التي يتم نسخها من أصل واحد أو حدث بدء على أنها النسخة المتماثلة. [2]

من السمات الأساسية لفرضية الريبلكون أنها تعتمد على التنظيم الإيجابي للتحكم في بداية تكرار الحمض النووي ، والذي يمكن أن يفسر العديد من الملاحظات التجريبية في الأنظمة البكتيرية والعاثية. [24] على سبيل المثال ، فإنه يفسر فشل الحمض النووي خارج الصبغيات بدون أصول في التكاثر عند إدخالها في الخلايا المضيفة. كما أنه يبرر عدم توافق البلازميد في الإشريكية القولونية ، حيث تزعزع بعض البلازميدات استقرار ميراث بعضها البعض بسبب المنافسة على نفس آلية البدء الجزيئي. [25] على النقيض من ذلك ، فشل نموذج التنظيم السلبي (مشابه لنموذج مشغل النسخ المتماثل للنسخ) في شرح النتائج المذكورة أعلاه. [24] ومع ذلك ، فإن البحث الذي أعقب اقتراح جاكوب وبرينر وكوزين لنموذج الريليكون قد اكتشف العديد من الطبقات الإضافية للتحكم في النسخ المتماثل في البكتيريا وحقيقيات النوى التي تشتمل على العناصر التنظيمية الإيجابية والسلبية ، مما يبرز كل من التعقيد وأهمية تقييد تكرار الحمض النووي الزماني والمكاني. [2] [26] [27] [28]

أثبت مفهوم المضاعف ككيان وراثي أنه مفيد للغاية في السعي لتحديد تسلسل الحمض النووي المتماثل والبروتينات البادئة في بدائيات النوى ، وإلى حد ما أيضًا في حقيقيات النوى ، على الرغم من أن تنظيم وتعقيد النسخ المتماثلة يختلفان اختلافًا كبيرًا بين مجالات الحياة. [29] [30] بينما تحتوي الجينومات البكتيرية عادةً على مكرر واحد يتم تحديده من خلال عناصر تسلسل الحمض النووي المتوافقة والتي تتحكم في تكرار الكروموسوم بأكمله ، فإن معظم مكررات حقيقيات النوى - باستثناء الخميرة الناشئة - لم يتم تعريفها على مستوى الحمض النووي بدلاً من ذلك ، يبدو أنها محددة بشكل اندماجي من خلال الإشارات الهيكلية والكروماتين المحلية للحمض النووي. [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] الكروموسومات حقيقية النواة هي أيضًا أكبر بكثير من نظيراتها البكتيرية ، مما يزيد من الحاجة إلى بدء تخليق الحمض النووي من العديد في وقت واحد لضمان تكرار الجينوم بأكمله في الوقت المناسب. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحميل العديد من المروحيات التكرارية بدلاً من تنشيطها لبدء النسخ المتماثل في دورة خلية معينة. يقترح التعريف الذي يحركه السياق للنسخ المتماثلة واختيار الأصول نموذجًا متماثلًا مريحًا في أنظمة حقيقية النواة يسمح بالمرونة في برنامج تكرار الحمض النووي. [29] على الرغم من أنه يمكن التباعد ماديًا بين الناسخات والأصول على الكروموسومات ، إلا أنهما غالبًا ما يتشاركان في التوطين أو يقعان على مقربة شديدة من أجل البساطة ، فإننا سنشير إلى كلا العنصرين على أنهما "أصول" خلال هذه المراجعة. مجتمعة ، يمثل اكتشاف وعزل تسلسل المنشأ في الكائنات الحية المختلفة علامة بارزة نحو اكتساب فهم ميكانيكي لبدء النسخ المتماثل. بالإضافة إلى ذلك ، كان لهذه الإنجازات آثار عميقة في مجال التكنولوجيا الحيوية لتطوير ناقلات المكوك التي يمكن نشرها في الخلايا البكتيرية والخميرة والثديية. [2] [41] [42] [43]

معظم الكروموسومات البكتيرية دائرية وتحتوي على أصل واحد لتكاثر الكروموسومات (oriC). جرثومي oriC تتنوع المناطق بشكل مدهش من حيث الحجم (تتراوح من 250 نقطة أساس إلى 2 كيلو بايت) ، والتسلسل ، والتنظيم [45] [46] ومع ذلك ، فإن قدرتها على دفع بداية النسخ المتماثل تعتمد عادةً على القراءة الخاصة بالتسلسل لعناصر الحمض النووي المتفق عليها بواسطة البادئ البكتيري ، بروتين يسمى DnaA. [47] [48] [49] [50] أصول البكتيريا إما مستمرة أو ثنائية الأجزاء وتحتوي على ثلاثة عناصر وظيفية تتحكم في نشاط الأصل: تكرارات الحمض النووي المحفوظة التي تم التعرف عليها تحديدًا بواسطة DnaA (تسمى صناديق DnaA) ، وهي AT-rich عنصر فك الحمض النووي (DUE) ، ومواقع الربط للبروتينات التي تساعد في تنظيم بدء النسخ المتماثل. [17] [51] [52] تعد تفاعلات الحمض النووي الريبي مع كل من مناطق DnaA المزدوجة (ds) ومع DNA أحادي السلسلة (ss) في DUE مهمة لتنشيط الأصل ويتم توسطها بواسطة مجالات مختلفة في بروتين البادئ: عنصر ربط DNA Helix-turn-helix (HTH) و ATPase المرتبط بأنشطة خلوية مختلفة (AAA +) على التوالي. [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] بينما يختلف تسلسل وعدد وترتيب مربعات DnaA المرتبطة بالأصل في جميع أنحاء المملكة البكتيرية ، فإن مواقعها المحددة وتباعدها في الأنواع حاسمة ل oriC وظيفة وللتشكيل المعقد لبدء الإنتاج. [2] [45] [46] [60] [61] [62] [63] [64]

بين البكتيريا ، بكتريا قولونية هو نظام نموذجي قوي بشكل خاص لدراسة آلية التنظيم والتعرف والتفعيل لأصول النسخ المتماثل. بكتريا قولونية oriC يضم ما يقرب من

260 نقطة أساس تحتوي على أربعة أنواع من عناصر ربط البادئ التي تختلف في صلاتها لـ DnaA وتبعياتها على العامل المشترك ATP. تشكل مربعات DnaA-R1 و R2 و R4 مواقع عالية التقارب مرتبطة بمجال HTH لـ DnaA بغض النظر عن حالة البادئ المرتبطة بالنيوكليوتيدات. [47] [65] [66] [67] [68] [69] على النقيض من ذلك ، فإن مواقع I و τ و C ، التي تتخللها مواقع R ، هي مربعات DnaA منخفضة التقارب وترتبط بشكل تفضيلي مع DnaA المرتبط بـ ATP ، على الرغم من أن ADP-DnaA يمكن أن يحل محل ATP-DnaA في ظل ظروف معينة. [70] [71] [72] [63] إن ربط نطاقات HTH بعناصر التعرف على DnaA عالية ومنخفضة التقارب يعزز أوليغوميرات قليلة الدرجة المعتمدة على ATP لوحدات AAA الخاصة بـ DnaA في خيوط أيمن تلتف الحمض النووي المزدوج حول سطحه الخارجي ، مما يولد التواءً فوق حلزونيًا يسهل ذوبان جزيء AT-rich DUE المجاور. [53] [73] [74] [75] يتم أيضًا مساعدة فصل حبال الحمض النووي من خلال التفاعلات المباشرة لمجال AAA + ATPase الخاص بـ DnaA مع التكرارات الثلاثية ، ما يسمى DnaA-trios ، في منطقة DUE القريبة. [76] إن ارتباط مقاطع ثلاثي النوكليوتيدات أحادية الجديلة بواسطة خيوط البادئ يعمل على تمدد الحمض النووي واستقرار فقاعة البدء عن طريق منع إعادة الربط. [57] عنصر أصل DnaA-trio محفوظ في العديد من الأنواع البكتيرية ، مما يشير إلى أنه عنصر أساسي لوظيفة الأصل. [76] بعد الذوبان ، يوفر DUE موقع دخول لـ بكتريا قولونية هيليكاز التكاثر DnaB ، والتي تترسب على كل من خيوط الحمض النووي المفردة بواسطة بروتين محمل DnaC. [2]

على الرغم من أن أنشطة ربط الحمض النووي المختلفة لـ DnaA قد تمت دراستها على نطاق واسع من الناحية الكيميائية الحيوية والمتنوعة apo، أو ssDNA- ، أو dsDNA- تم تحديد الهياكل المرتبطة ، [56] [57] [58] [74] البنية الدقيقة للرتبة الأعلى DnaA-oriC بدء التجمع لا يزال غير واضح. تم اقتراح نموذجين لشرح تنظيم عناصر الأصل الأساسية و DnaA بوساطة oriC ذوبان. يفترض نموذج الحالتين وجود خيوط DnaA مستمرة تتحول من وضع ربط dsDNA (المركب المنظم) إلى وضع ربط ssDNA في DUE (مجمع الانصهار). [74] [77] على النقيض من ذلك ، في نموذج الحلقة الخلفية ، ينحني الحمض النووي بشكل حاد oriC وتثني مرة أخرى على خيوط البادئ بحيث تشتبك بروتومرات الحمض النووي DNA في نفس الوقت مع مناطق الحمض النووي المزدوجة والمفردة. [78] توضيح كيف بالضبط oriC يتم تنظيم الحمض النووي من قبل DnaA وبالتالي يبقى مهمة مهمة للدراسات المستقبلية. سوف تساعد الأفكار المتعمقة في البنية المعقدة للبدء في شرح ليس فقط كيفية ذوبان الحمض النووي الأصلي ، ولكن أيضًا كيفية تحميل الهليكاز التكراري بشكل مباشر على كل من خيوط الحمض النووي المفردة المكشوفة في DUE غير المنحلة ، وكيف يتم مساعدة هذه الأحداث من خلال تفاعلات الهليكاز مع البادئ وبروتينات محمل محددة. [2]

تشترك أصول الاستنساخ البدائي في بعض وليس كل السمات التنظيمية للبكتيريا oriC. على عكس البكتيريا ، غالبًا ما تبدأ العتائق التكاثر من أصول متعددة لكل كروموسوم (تم الإبلاغ عن واحد إلى أربعة) [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [46] ومع ذلك ، تحمل الأصول أيضًا مناطق تسلسل متخصصة تتحكم في وظيفة الأصل. [87] [88] [89] تتضمن هذه العناصر كلاً من مربعات التعرف على المنشأ الخاصة بتسلسل الحمض النووي (ORBs أو miniORBs) و DUE الغنية بـ AT المحاطة بواحدة أو عدة مناطق ORB. [85] [90] تعرض عناصر ORB درجة كبيرة من التنوع من حيث عددها وترتيبها وتسلسلها ، سواء بين الأنواع البدائية المختلفة وبين الأصول المختلفة داخل نوع واحد. [80] [85] [91] يتم تقديم درجة إضافية من التعقيد بواسطة البادئ ، Orc1 / Cdc6 في العتائق ، والتي ترتبط بمناطق ORB. عادةً ما تقوم الجينومات البدائية بتشفير العديد من نظائر Paralogs لـ Orc1 / Cdc6 التي تختلف بشكل كبير في صلاتها لعناصر ORB المميزة والتي تساهم بشكل مختلف في أنشطة الأصل. [85] [92] [93] [94] في Sulfolobus solfataricus، على سبيل المثال ، تم تعيين ثلاثة أصول كروموسومية (oriC1 و oriC2 و oriC3) ، وقد كشفت الدراسات البيوكيميائية عن أنماط ربط معقدة للمبادرين في هذه المواقع. [85] [86] [95] [96] البادئ المشابه لـ oriC1 هو Orc1-1 ، والذي يرتبط بالعديد من ORBs في هذا الأصل. [85] [93] OriC2 و oriC3 مرتبطان بكل من Orc1-1 و Orc1-3. [85] [93] [96] على العكس من ذلك ، فإن Paralog الثالث ، Orc1-2 ، آثار أقدام في جميع الأصول الثلاثة ، ولكن تم افتراض أنه ينظم سلبًا بدء النسخ المتماثل. [85] [96] بالإضافة إلى ذلك ، ثبت أن بروتين WhiP ، وهو بادئ غير مرتبط بـ Orc1 / Cdc6 ، يربط جميع الأصول أيضًا ويقود نشاط منشأ oriC3 في Sulfolobus Islandicus. [93] [95] نظرًا لأن الأصول البدائية تحتوي غالبًا على العديد من عناصر ORB المتجاورة ، يمكن تجنيد العديد من نظائر Orc1 / Cdc6 في وقت واحد إلى الأصل وقلة القلة في بعض الحالات [94] [97] ومع ذلك ، على عكس الحمض النووي البكتيري ، لا يبدو أن تجميع البادئ ذي الترتيب الأعلى شرطًا أساسيًا عامًا لوظيفة الأصل في المجال البدائي. [2]

قدمت الدراسات الهيكلية رؤى حول كيفية التعرف على Orc1 / Cdc6 البدائي لعناصر ORB وإعادة تشكيل الحمض النووي الأصلي. [97] [98] Paralogs Orc1 / Cdc6 عبارة عن بروتينات ثنائية النطاق وتتكون من وحدة AAA + ATPase مدمجة في طية حلزونية مجنحة على شكل C. [99] [100] [101] كشفت الهياكل المعقدة للحمض النووي لـ Orc1 / Cdc6 أن ORBs مرتبطة بمونومر Orc1 / Cdc6 على الرغم من وجود تسلسلات متكررة معكوسة داخل عناصر ORB. [97] [98] تتفاعل كل من منطقتي ATPase واللولب المجنح مع DNA مزدوج الاتجاه لكنهما تلامسان تسلسل تكرار ORB المتماثل بشكل غير متماثل ، والذي يوجه Orc1 / Cdc6 في اتجاه محدد عند التكرار. [97] [98] ومن المثير للاهتمام ، أن عناصر ORB أو miniORB المحيطة بـ DUE غالبًا ما يكون لها أقطاب متقابلة ، [80] [85] [94] [102] [103] والتي تتنبأ بأن المجالات الفرعية لغطاء AAA + ونطاقات اللولب المجنح يتم وضع Orc1 / Cdc6 على جانبي DUE بطريقة حيث يواجه كل منهما الآخر. [97] [98] نظرًا لأن كلا المنطقتين من Orc1 / Cdc6 ترتبط بهليكاز متماثل لصيانة الكروموسوم الصغير (MCM) ، [104] [105] من المحتمل أن يكون هذا الترتيب المحدد لعناصر ORB و Orc1 / Cdc6 مهمًا لتحميل مجمعين MCM بشكل متماثل على ال DUE. [85] بشكل مفاجئ ، بينما يحدد تسلسل ORB DNA اتجاه ارتباط Orc1 / Cdc6 ، يقوم البادئ بعمل عدد قليل نسبيًا من اتصالات محددة التسلسل مع DNA. [97] [98] ومع ذلك ، فإن Orc1 / Cdc6 يضعف بشدة ويثني الحمض النووي ، مما يشير إلى أنه يعتمد على مزيج من كل من تسلسل الحمض النووي والميزات الهيكلية للحمض النووي المعتمدة على السياق للتعرف على الأصول. [97] [98] [106] بشكل ملحوظ ، يتم الحفاظ على الاقتران القاعدي في ازدواج الحمض النووي المشوه عند ربط Orc1 / Cdc6 في الهياكل البلورية ، [97] [98] بينما أسفرت الدراسات البيوكيميائية عن نتائج متناقضة حول ما إذا كانت البادئات البدائية يمكن أن تذوب الحمض النووي يشبه الحمض النووي البكتيري. [93] [94] [107] على الرغم من أن القرابة التطورية للمبتدئين البدائيين وحقيقيات النوى والمروحيات التكاثرية تشير إلى أنه من المحتمل تحميل MCM البدائية على الحمض النووي المزدوج (انظر القسم التالي) ، فإن الترتيب الزمني لذوبان المنشأ وتحميل الهليكاز ، وكذلك وبالتالي ، فإن آلية ذوبان الحمض النووي الأصلي ، في الأنظمة الأثرية ، لا تزال بحاجة إلى تحديد واضح. وبالمثل ، فإن كيفية تحميل هليكاز MCM بالضبط على الحمض النووي يحتاج إلى معالجة في الدراسات المستقبلية. [2]

يعتبر تنظيم المنشأ والمواصفات والتفعيل في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا مما هو عليه في المجالات البكتيرية أو البدائية وينحرف بشكل كبير عن النموذج الذي تم إنشاؤه لبدء النسخ المتماثل بدائية النواة. أحجام الجينوم الكبيرة للخلايا حقيقية النواة ، والتي تتراوح من 12 ميجا بت في البوصة S. cerevisiae حتى 3 جيجا بايت في البشر ، يستلزم أن يبدأ تكرار الحمض النووي من عدة مئات (في الخميرة الناشئة) إلى عشرات الآلاف (في البشر) من الأصول لاستكمال تكرار الحمض النووي لجميع الكروموسومات خلال كل دورة خلوية. [27] [36] باستثناء S. cerevisiae وما يتصل بها السكاروميكوتين الأنواع ، أصول حقيقية النواة لا تحتوي على عناصر تسلسل الحمض النووي المتوافق عليها ولكن موقعها يتأثر بالإشارات السياقية مثل طوبولوجيا الحمض النووي المحلي ، والسمات الهيكلية للحمض النووي ، وبيئة الكروماتين. [110] [35] [37] ومع ذلك ، لا تزال وظيفة الأصل حقيقية النواة تعتمد على مركب بروتين بادئ محفوظ لتحميل الهليسات التكاثرية على الحمض النووي خلال المرحلتين المتأخرتين M و G1 من دورة الخلية ، وهي خطوة تُعرف باسم ترخيص المنشأ. [111] على عكس نظيراتها البكتيرية ، يتم تحميل الهليكازات التكاثرية في حقيقيات النوى على DNA مزدوج الأصل في شكل غير نشط ، سداسي عشري مزدوج ويتم تنشيط مجموعة فرعية منها فقط (10-20٪ في خلايا الثدييات) خلال أي مرحلة S معينة ، الأحداث التي يشار إليها باسم إطلاق النار الأصلي. [112] [113] [114] لذلك يتم تحديد موقع أصول حقيقية النواة النشطة على مستويين مختلفين على الأقل ، ترخيص المنشأ لتحديد جميع الأصول المحتملة ، وإطلاق النار لتحديد مجموعة فرعية تسمح بتجميع آلية النسخ وبدء تخليق الحمض النووي. تعمل الأصول المرخصة الإضافية كنسخة احتياطية ولا يتم تنشيطها إلا عند إبطاء أو توقف شوكات النسخ المتماثل القريبة ، مما يضمن إمكانية اكتمال تكرار الحمض النووي عندما تواجه الخلايا إجهاد النسخ المتماثل. [115] [116] معًا ، تجسد زيادة الأصول المرخصة والتحكم المحكم في دورة الخلية لترخيص المنشأ وإطلاق النار استراتيجيتين مهمتين لمنع التكاثر الناقص والمفرط والحفاظ على سلامة الجينومات حقيقية النواة. [2]

الدراسات المبكرة في S. cerevisiae أشار إلى أن أصول النسخ المتماثل في حقيقيات النوى يمكن التعرف عليها بطريقة خاصة بتسلسل الحمض النووي بشكل مشابه لتلك الموجودة في بدائيات النوى. في الخميرة الناشئة ، يؤدي البحث عن المُكرِّرات الجينية إلى تحديد تسلسل التكرار الذاتي (ARS) الذي يدعم بدء النسخ المتماثل الفعال للحمض النووي خارج الصبغيات. [117] [118] [119] يبلغ طول مناطق ARS هذه 100-200 نقطة أساس تقريبًا وتُظهر تنظيمًا متعدد الأجزاء ، يحتوي على عناصر A و B1 و B2 وأحيانًا B3 والتي تعد معًا ضرورية لوظيفة الأصل. [120] [121] يشمل العنصر A تسلسل توافق ARS 11 نقطة أساس محفوظ (ACS) ، [122] [123] والذي ، بالاقتران مع عنصر B1 ، يشكل موقع الربط الأساسي لمركب التعرف على الأصل غير المتجانسة (ORC) ، البادئ النسخ المتماثل حقيقية النواة. [124] [125] [126] [127] داخل ORC ، تم بناء خمس وحدات فرعية على AAA + ATPase المحفوظة والطيات الحلزونية المجنحة وتتجمع معًا في حلقة خماسية تحيط بالحمض النووي. [127] [128] [129] في الخميرة الناشئة ORC ، يتم وضع عناصر ربط الحمض النووي في ATPase ونطاقات اللولب المجنح ، بالإضافة إلى مناطق التصحيح الأساسية المجاورة في بعض وحدات ORC الفرعية ، في المسام المركزي لحلقة ORC بحيث تساعد في التعرف على تسلسل الحمض النووي المحدد لـ ACS بطريقة تعتمد على ATP. [127] [130] على النقيض من ذلك ، فإن أدوار عنصري B2 و B3 أقل وضوحًا. تشبه منطقة B2 منطقة ACS في التسلسل وقد تم اقتراحها لتعمل كموقع ربط ثانٍ لـ ORC في ظل ظروف معينة ، أو كموقع ربط لنواة الهليكاز التكرار. [131] [132] [133] [134] [135] على العكس من ذلك ، يقوم عنصر B3 بتجنيد عامل النسخ Abf1 ، وإن لم يتم العثور على B3 في جميع أصول الخميرة الناشئة ولا يبدو أن ارتباط Abf1 ضروري تمامًا لوظيفة الأصل. [2] [120] [136] [137]

التعرف على المنشأ في حقيقيات النوى بخلاف S. cerevisiae أو أقاربه المقربين لا يتوافق مع القراءة الخاصة بالتسلسل لعناصر DNA الأصلية المحفوظة. فشلت محاولات عزل متواليات مكررة كروموسومية محددة بشكل أكثر عمومية في الأنواع حقيقية النواة ، إما وراثيًا أو عن طريق رسم خرائط على مستوى الجينوم لربط البادئ أو مواقع بدء النسخ المتماثل ، في تحديد تسلسل إجماع واضح في الأصول. [138] [139] [140] [141] [142] [143] [144] [145] [146] [147] [148] [149] وبالتالي ، فإن تفاعلات بادئ الحمض النووي الخاصة بالتسلسل في الخميرة الناشئة تدل على وضع متخصص للتعرف على الأصل في هذا النظام بدلاً من وضع نموذجي لمواصفات الأصل عبر مجال حقيقيات النوى. ومع ذلك ، فإن تكرار الحمض النووي لا يبدأ في مواقع منفصلة لا يتم توزيعها عشوائيًا عبر جينومات حقيقية النواة ، بحجة أن الوسائل البديلة تحدد موقع الكروموسومات للأصول في هذه الأنظمة. تتضمن هذه الآليات تفاعلًا معقدًا بين إمكانية الوصول إلى الحمض النووي ، وانحراف تسلسل النوكليوتيدات (تم ربط كل من ثراء AT وجزر CpG بالأصول) ، وموضع النيوكليوسوم ، والميزات اللاجينية ، وطوبولوجيا الحمض النووي وبعض السمات الهيكلية للحمض النووي (على سبيل المثال ، زخارف G4) ، وكذلك كبروتينات تنظيمية وتداخل النسخ. [17] [18] [34] [35] [37] [150] [151] [143] [152] الأهم من ذلك ، أن خصائص المنشأ تختلف ليس فقط بين الأصول المختلفة في الكائن الحي وبين الأنواع ، ولكن يمكن أن يتغير بعضها أيضًا أثناء التطور وتمايز الخلايا. موضع المشيماء في ذبابة الفاكهة تشكل خلايا الجريب مثالًا راسخًا للتحكم المكاني والتنموي في أحداث البدء. تخضع هذه المنطقة لتضخيم الجين المعتمد على تكرار الحمض النووي في مرحلة محددة أثناء تكوين البويضات وتعتمد على التنشيط المحدد في الوقت المناسب لأصول المشيمة ، والذي يتم تنظيمه بدوره بواسطة عناصر رابطة الدول المستقلة الخاصة بالأصل والعديد من العوامل البروتينية ، بما في ذلك مجمع Myb ، E2F1 و E2F2. [153] [154] [155] [156] [157] أدى هذا التحديد التجميعي والتنظيم متعدد العوامل لأصول الميتازوان إلى تعقيد تحديد السمات الموحدة التي تحدد موقع مواقع بدء النسخ عبر حقيقيات النوى بشكل عام. [2]

لتسهيل بدء النسخ المتماثل والتعرف على الأصل ، طورت تجمعات ORC من أنواع مختلفة مجالات مساعدة متخصصة يُعتقد أنها تساعد البادئ في استهداف أصول الكروموسومات أو الكروموسومات بشكل عام. على سبيل المثال ، الوحدة الفرعية Orc4 بتنسيق S. بومبي يحتوي ORC على العديد من خطاطيف AT التي تربط بشكل تفضيلي الحمض النووي الغني بـ AT ، [158] بينما في metazoan ORC ، يُعتقد أن المجال الشبيه بـ TFIIB لـ Orc6 يؤدي وظيفة مماثلة. [159] تحتوي بروتينات Metazoan Orc1 أيضًا على مجال تماثل مجاور لـ bromo (BAH) يتفاعل مع H4K20me2-nucleosomes. [109] على وجه الخصوص في خلايا الثدييات ، تم الإبلاغ عن الحاجة إلى مثيلة H4K20 لبدء النسخ المتماثل الفعال ، ويسهل مجال Orc1-BAH ارتباط ORC بالكروموسومات والنسخ المتماثل المعتمد على أصل فيروس Epstein-Barr. [160] [161] [162] [163] [164] لذلك ، من المثير للاهتمام التكهن بأن كلا الملاحظتين مرتبطان ميكانيكيًا على الأقل في مجموعة فرعية من الميتازوا ، ولكن هذا الاحتمال يحتاج إلى مزيد من الاستكشاف في الدراسات المستقبلية. بالإضافة إلى التعرف على بعض سمات الحمض النووي أو الوراثة اللاجينية ، يرتبط ORC أيضًا بشكل مباشر أو غير مباشر بالعديد من البروتينات الشريكة التي يمكن أن تساعد في تجنيد البادئ ، بما في ذلك LRWD1 ، PHIP (أو DCAF14) ، HMGA1a ، من بين أمور أخرى. [33] [165] [166] [167] [168] [169] [170] [171] ومن المثير للاهتمام ، ذبابة الفاكهة ORC ، مثل نظيرتها الخميرة الناشئة ، تنحني الحمض النووي وقد تم الإبلاغ عن الالتفاف الفائق السلبي لتعزيز ارتباط الحمض النووي لهذا المركب ، مما يشير إلى أن شكل الحمض النووي وقابليته للتطويع قد يؤثران على موقع مواقع ربط ORC عبر جينومات metazoan. [31] [127] [172] [173] [174] الفهم الجزيئي لكيفية دعم مناطق ربط الحمض النووي في ORC للقراءة للخواص الهيكلية لمزدوجة الحمض النووي في metazoans بدلاً من تسلسل DNA المحدد كما في S. cerevisiae ينتظر معلومات هيكلية عالية الدقة لتجمعات بادئ metazoan المرتبطة بالحمض النووي. وبالمثل ، ما إذا كانت العوامل اللاجينية المختلفة تساهم في تجنيد البادئ في أنظمة metazoan وكيف يتم تحديدها بشكل سيئ وهي مسألة مهمة تحتاج إلى معالجة بمزيد من التفصيل. [2]

بمجرد تجنيده في الأصول ، يدفع ORC والعوامل المساعدة له Cdc6 و Cdt1 ترسيب مجمع صيانة الكروموسوم 2-7 (Mcm2-7) على الحمض النووي. [111] [175] مثل قلب هيليكاز التكاثر البدائي ، يتم تحميل Mcm2-7 كسداسي مزدوج وجهاً لوجه على الحمض النووي لترخيص الأصول. [112] [113] [114] في المرحلة S ، كيناز Dbf4 المعتمد (DDK) والكيناز المعتمد على Cyclin (CDK) فسفوريلات عدة وحدات فرعية Mcm2-7 وعوامل بدء إضافية لتعزيز توظيف منشط الهليكس Cdc45 و GINS ، ذوبان الحمض النووي ، وفي النهاية تجميع ثنائي الاتجاه في مجموعة فرعية من الأصول المرخصة. [28] [176] في كل من الخميرة والميتازوان ، تكون الأصول خالية أو مستنفدة من النيوكليوسومات ، وهي خاصية مهمة لتحميل Mcm2-7 ، مما يشير إلى أن حالة الكروماتين في الأصول تنظم ليس فقط تجنيد البادئ ولكن أيضًا تحميل الهليكاز. [144] [177] [178] [179] [180] [181] تعد بيئة الكروماتين المتساهلة مهمة أيضًا لتفعيل الأصل وقد تورطت في تنظيم كل من كفاءة المنشأ وتوقيت إطلاق الأصل. عادةً ما تحتوي الأصول المتجانسة اللون على علامات كروماتين نشطة ، وتتكاثر مبكرًا ، وتكون أكثر كفاءة من الأصول المتغايرة اللون المتأخرة ، والتي على العكس من ذلك تتميز بعلامات قمعية. [27] [179] [182] ليس من المستغرب أن العديد من أجهزة إعادة تشكيل الكروماتين والإنزيمات المعدلة للكروماتين وُجد أنها مرتبطة بالأصول وبعض عوامل البدء ، [183] ​​[184] ولكن كيفية تأثير أنشطتها على أحداث بدء النسخ المختلفة تظل غامضة إلى حد كبير . بشكل ملحوظ ، تم تحديد "عناصر التحكم في النسخ المبكر" (ECREs) التي تعمل برابطة الدول المستقلة مؤخرًا للمساعدة في تنظيم توقيت النسخ والتأثير على بنية الجينوم ثلاثي الأبعاد في خلايا الثدييات. [١٨٥] يعد فهم الآليات الجزيئية والكيميائية الحيوية التي تنظم هذا التفاعل المعقد بين تنظيم الجينوم ثلاثي الأبعاد ، وبنية الكروماتين المحلية والعالية المستوى ، وبدء النسخ المتماثل موضوعًا مثيرًا لمزيد من الدراسات. [2]

لماذا تباعدت أصول النسخ المتماثل للميتازوان عن نموذج التعرف على تسلسل الحمض النووي المحدد الذي يحدد مواقع بدء النسخ المتماثل في بدائيات النوى والخميرة الناشئة؟ الملاحظات التي تشير إلى أن أصول الميتازوان غالبًا ما تتحد مع مناطق المروج في ذبابة الفاكهة وخلايا الثدييات وتعارضات النسخ المتماثل والنسخ الناتجة عن تصادم الآليات الجزيئية الأساسية يمكن أن تؤدي إلى تلف الحمض النووي ، مما يشير إلى أن التنسيق السليم للنسخ والتكرار مهم للحفاظ على استقرار الجينوم. [139] [141] [143] [146] [186] [20] [187] [188] تشير النتائج الحديثة أيضًا إلى دور مباشر أكثر للنسخ في التأثير على موقع الأصول ، إما عن طريق منع تحميل Mcm2-7 أو عن طريق إعادة وضع Mcm2-7 المحملة على الكروموسومات. [189] [152] ارتباط البادئ المستقل عن التسلسل (ولكن ليس بالضرورة عشوائيًا) بالحمض النووي يسمح أيضًا بالمرونة في تحديد مواقع تحميل هليكاز ، جنبًا إلى جنب مع التداخل النسخي والتنوع في كفاءات التنشيط للأصول المرخصة ، من المحتمل أن يحدد موقع المنشأ ويساهم إلى التنظيم المشترك لتكرار الحمض النووي وبرامج النسخ أثناء التطور وتحولات مصير الخلية. النمذجة الحسابية لأحداث البدء في S. بومبي، بالإضافة إلى تحديد الأصول الخاصة بنوع الخلية والمنظمة من الناحية التنموية في metazoans ، تتفق مع هذه الفكرة. [140] [148] [190] [191] [192] [193] [194] [152] ومع ذلك ، توجد أيضًا درجة كبيرة من المرونة في اختيار الأصل بين الخلايا المختلفة داخل مجموعة سكانية واحدة ، [143] [149] [191] albeit the molecular mechanisms that lead to the heterogeneity in origin usage remain ill-defined. Mapping origins in single cells in metazoan systems and correlating these initiation events with single-cell gene expression and chromatin status will be important to elucidate whether origin choice is purely stochastic or controlled in a defined manner. [2]


What is Plasmid?

أ بلازميد is an extrachromosomal DNA molecule within a cell that is physically separated from chromosomal DNA and can replicate independently. They are most commonly found as small circular, double-stranded DNA molecules in bacteria however, plasmids are sometimes present in archaea and eukaryotic organisms. In nature, plasmids often carry genes that benefit the survival of the organism and confer selective advantages such as antibiotic resistance. While chromosomes are large and contain all the essential genetic information for living under normal conditions, plasmids are usually very small and contain only additional genes that may be useful in certain situations or conditions. Artificial plasmids are widely used as vectors in molecular cloning, serving to drive the replication of recombinant DNA sequences within host organisms. In the laboratory, plasmids may be introduced into a cell via transformation.

Scientists have taken advantage of plasmids to use them as tools to clone, transfer, and manipulate genes. Plasmids that are used experimentally for these purposes are called vectors. Researchers can insert DNA fragments or genes into a plasmid vector, creating a so-called recombinant plasmid. This plasmid can be introduced into a bacterium by way of the process called transformation. Then, because bacteria divide rapidly, they can be used as factories to copy DNA fragments in large quantities.

Plasmid Structure

  • They are extrachromosomal and not essential. They are useful but not necessarily present in every organism of the species
  • Plasmids are not a part of the genome and the same plasmid can exist in different species and gets transferred from one another
  • Plasmids have their own origin of replication (ORI) and they replicate along with the cell so that each daughter cell possesses a copy of the plasmid also
  • Apart from the origin of replication, often it contains genes for antibiotic resistance, for the production of toxins, and other useful genes, that may be required for the survival of cells

The word Plasmid was first coined by Joshua Lederberg in 1952. The term was first described in a research paper he published describing the experiments carried out by himself and his student Norton Zinder. The experiment was conducted on salmonella bacteria and its virus P22.


7.4A: Introduction to Plasmids

  • Contributed by Boundless
  • General Microbiology at Boundless

The term plasmid was first introduced by the American molecular biologist Joshua Lederberg in 1952. A plasmid is a DNA molecule that is separate from, and can replicate independently of the chromosomal DNA. They are double-stranded and, in many cases, circular. Plasmids usually occur naturally in bacteria, but are sometimes found in archaea, and even in eukaryotic organisms (e.g., the 2-micrometre ring in خميرة الخميرة). Plasmid sizes vary from 1 to over 1,000 kbp. The number of identical plasmids in a single cell can range anywhere from one to thousands under some circumstances. Plasmids can be considered part of the mobilome because they are often associated with conjugation, a mechanism of horizontal gene transfer.

شكل: Step by step of cloning a gene using a plasmid: This image shows a line drawing that compares the activity of non-integrating plasmids, on the top, with episomes, on the bottom, during cell division. The upper half of the image shows a bacterium with its chromosomal DNA and plasmids dividing into two identical bacteria, each with their chromosomal DNA and plasmids. The lower half of the image shows a bacterium with its chromosomal DNA, but with an episome. Next to this bacterium, we see the same bacterium, but after the episome has integrated into the chromosomal DNA and has become a part of it. This second bacterium now divides into two bacteria identical to it, each with an episome integrated into it.

Plasmids are considered replicons. They can be found in all three major domains: Archaea, Bacteria, and Eukarya. Similar to viruses, plasmids are not considered by some to be a form of life. Unlike viruses, they are naked DNA and do not encode genes necessary to encase the genetic material for transfer to a new host, though some classes of plasmids encode the sex pilus necessary for their own transfer. Plasmid host-to-host transfer requires direct mechanical transfer by conjugation, or changes in incipient host gene expression allowing the intentional uptake of the genetic element by transformation. Microbial transformation with plasmid DNA is neither parasitic nor symbiotic in nature, because each implies the presence of an independent species living in a commensal or detrimental state with the host organism. Rather, plasmids provide a mechanism for horizontal gene transfer within a population of microbes and typically provide a selective advantage under a given environmental state. Plasmids may carry genes that provide resistance to naturally occurring antibiotics in a competitive environmental niche, or the proteins produced may act as toxins under similar circumstances. Plasmids can also provide bacteria with the ability to fix elemental nitrogen or to degrade recalcitrant organic compounds that provide an advantage when nutrients are scarce.


Diversity, biology and evolution of IncQ-family plasmids

Plasmids of IncQ-family are distinguished by having a unique strand-displacement mechanism of replication that is capable of functioning in a wide variety of bacterial hosts. In addition, these plasmids are highly mobilizable and therefore very promiscuous. Common features of the replicons have been used to identify IncQ-family plasmids in DNA sequence databases and in this way several unstudied plasmids have been compared to more well-studied IncQ plasmids. We propose that IncQ plasmids can be divided into four subgroups based on a number of mutually supportive criteria. The most important of these are the amino acid sequences of their three essential replication proteins and the observation that the replicon of each subgroup has become fused to four different lineages of mobilization genes. This review of IncQ-family plasmid diversity has highlighted several events in the evolution of these plasmids and raised several questions for further research.


Plasmids

Electron micrograph of an بكتريا قولونية cell ruptured to release its DNA. The tangle is a portion of a single DNA molecule containing over 4.6 million base pairs encoding approximately 4,300 genes. The small circlets are plasmids. (Courtesy of Huntington Potter and David Dressler, Harvard Medical School.)

Plasmids are molecules of DNA that are found in bacteria separate from the bacterial chromosome.

  • are small (a few thousand base pairs)
  • usually carry only one or a few genes
  • are circular
  • لديك واحد origin of replication

Plasmids are replicated by the same machinery that replicates the bacterial chromosome. Some plasmids are copied at about the same rate as the chromosome, so a single cell is apt to have only a single copy of the plasmid. Other plasmids are copied at a high rate and a single cell may have 50 or more of them.

Genes on plasmids with high numbers of copies are usually expressed at high levels. In nature, these genes often encode proteins (e.g., enzymes) that protect the bacterium from one or more مضادات حيوية.

Plasmids enter the bacterial cell with relative ease. This occurs in nature and may account for the rapid spread of antibiotic resistance in hospitals and elsewhere. Plasmids can be deliberately introduced into bacteria in the laboratory transforming the cell with the incoming genes.


Virulence Plasmids

Compared to other harmless bacteria, bacteria that tend to be pathogenic in nature carry genes for virulence factors that allow them to invade and infect their respective hosts.

For some of these bacteria, the virulence factors are the result of the organisms' own genetic material. However, for others, this is as a result of genetic elements from extra-chromosomal DNA. Although there are other sources of such elements, e.g. transposons, plasmids are some of the most common mobile genetic elements.

With regards to pathogenicity, virulence plasmids play an important role given that they can help bacteria effectively adapt to their respective environments. This is because the virulence plasmid can enable the organism to express an array of virulence-associated functions thus providing the organism with more advantageous characteristics to thrive in their environment.

Like other types of plasmids, virulence plasmids can also be transmitted from one bacterium to another. Apart from the virulence gene, plasmids have also been shown to carry other important elements that enhance transmission and maintenance.

For this reason, they are larger in size but low in numbers. This ensures that they do not cause additional burden to the organism during cell division.

Typically, cell division and cell maintenance require the use of energy. By having low numbers of virulence plasmids, the cells are spared significant metabolic burden that would be required for maintenance and genome duplication of numerous plasmids.

Some of the other types of plasmids include:

  • Recombinant plasmids - Plasmids that have been altered in the laboratory and introduced into the bacteria for the purposes of studies
  • Crptic plasmids - No known functions
  • Metabolic plasmids - Enhance metabolism of the host
  • Conjugative plasmids - Promote self-transfer
  • Suicide plasmids - Fail to replicate when transferred from one cell to another

Eva Top

My research is currently focused on the evolution and ecology of plasmids that transfer to and replicate in a broad range of bacteria. Plasmids are mobile genetic elements found in most bacteria. Because they readily transfer between different types of bacteria under natural conditions, they play an important role in rapid bacterial adaptation to changing environments. A good example is the current epidemic of multiple antibiotic resistance in human pathogens, which is largely due to the spread of multi-drug resistance plasmids. Although plasmid-mediated gene transfer is now recognized as a key mechanism in the alarming rise of antibiotic resistance, little is known about their host range, their ability to invade bacterial populations in the absence of selection, and their genetic diversity. We are addressing these questions using various Proteobacteria and plasmids as model systems.

منشورات مختارة

Selection of publications in peer-reviewed journals (from over 100 total)

  • Loftie-Eaton, W., K. Bashford, H. Quinn, K. Dong, J. Millstein, S. Hunter, M. Thomason, H. Merrikh, H., J.M. Ponciano, and E.M. Top. 2017. Compensatory mutations improve general permissiveness to antibiotic resistance plasmids. Nature Ecol. Evol. 1: 1354&ndash1363.
  • Stalder, T., L. M. Rogers, C. Renfrow, H. Yano, Z. Smith, and E.M. Top. 2017. Emerging patterns of plasmid-host coevolution that stabilize antibiotic resistance. Scientific Reports 7: 4853.
  • Thomas, C.M., N. R. Thomson, A. M. Cerdeño-Tárraga, C. J. Brown, E.M. Top, and L. S. Frost. 2017. Annotation of Plasmid Genes. Plasmid 91:61-67.
  • Ridenhour, B., G. Metzger, M. France, K. Gliniewicz, J. Millstein, L. Forney, E.M. Top. 2017.Persistence of antibiotic resistance plasmids in bacterial biofilms. Evol. تطبيق 10:640-647.
  • Stalder, T., and E.M. Top. 2016. Plasmid transfer in biofilms: A perspective on limitations and opportunities. NPJ Biofilms and Microbiomes. 16022: 1-5.
  • Yano H., K. Wegrzyn, W. Loftie-Eaton, J. Johnson, G.E. Deckert, L.M. Rogers, I. Konieczny, and E.M. Top. 2016. Evolved plasmid-host interactions reduce plasmid interference cost. مول. ميكروبيول. 101: 743-756.
  • Loftie-Eaton, W. H. Yano, S. Burleigh, R.S. Simmons, J.M. Hughes, L.M. Rogers, S.S. Hunter, M.L. Settles, L.J. Forney, J.M. Ponciano, and E.M. Top. 2016. Evolutionary paths that expand plasmid host-range: implications for spread of antibiotic resistance. مول. بيول. Evol. 33: 885&ndash897.
  • Li, X., Y. Wang, C. Brown, F. Yao, Y. Jiang, E.M. Top, and H. Li. 2016. Diversification of broad host range plasmids correlates with the presence of antibiotic resistance genes. FEMS ميكروبيول. ايكول. 92: fiv151.
  • Li, X., E. M. Top, Y. Wang, C. J. Brown, Y. Jiang, and H. Li. 2015. The broad-host-range plasmid pSFA231 isolated from petroleum-contaminated sediment represents a new member of the PromA plasmid family. Frontiers in Microbiology 5: 777 (1-12).
  • Loftie-Eaton, W., H. Suzuki, K. Bashford, H. Heuer, P. Stragier, P. De Vos, M.L. Settles, and E. M. Top 2015. Draft genome sequence of Pseudomonas sp. نوفمبر H2. Genome Announcement 3: e00241-15.
  • Loftie-Eaton, W., A. Tucker, A. Norton, and E. M. Top. 2014. Flow cytometry and Real-Time qPCR as tools for assessing plasmid persistence. Appl Environ Microbiol. 80: 5439-5446 (PMCID: PMC4136099).
  • Hunter, S., H. Yano, W. Loftie-Eaton, J. Hughes, L. De Gelder, P. Stragier, P. De Vos, M. Settles, and E. M. Top. 2014. Draft genome sequence of Pseudomonas moraviensis R28. Genome Announcement 2: e00035-14. (PMCID: PMC3931354).
  • Brown, C. J., D. Sen, H. Yano, M. L. Bauer, L. M. Rogers, G. A. Van der Auwera, and E. M. Top. 2013. Diverse broad-host-range plasmids from freshwater carry few accessory genes. تطبيق بيئة. ميكروبيول. 79: 7684-7695. (PMCID: PMC3837812)
  • Yano, H., L.M. Rogers, M.G. Knox, H. Heuer, K. Smalla, C.J. Brown, and E. M. Top. 2013. Host range diversification within the IncP-1 plasmid group. Microbiology 159: 2303-2315. (PMCID: PMC3836486)
  • Oliveira, C.S., A. Moura, I. Henriques, C.J. Brown, L.M. Rogers, E. M. Top, and A. Correia. 2013. Comparative genomics of IncP-1&epsilon plasmids from water environments reveals diverse and unique accessory genetic elements. Plasmid 70: 412-149.
  • Król, J. E., A. J. Wojtowicz, L. M. Rogers, H. Heuer, K. Smalla, S. M. Krone, and E. M. Top 2013. Invasion of بكتريا قولونية biofilms by multidrug resistance plasmids. Plasmid 70: 110&ndash119. (PMCID: PMC3687034)
  • Sen, D., C.J. Brown, E. M. Top and J. Sullivan. 2013. Inferring the evolutionary history of IncP-1 plasmids despite incongruence among backbone gene trees. مول. بيول. Evol. 30: 154-166. (PMCID: PMC3525142)
  • Yano H, Genka H, Ohtsubo Y, Nagata Y, Top E.M., Tsuda M. 2013. Cointegrate-resolution of toluene-catabolic transposon Tn4651: Determination of crossover site and the segment required for full resolution activity. Plasmid 69: 24&ndash35.
  • Hughes, J.M., B.K. Lohman, G.E. Deckert, E.P. Nichols, M. Settles, Z. Abdo, and E. M. Top. 2012. The role of clonal interference in the evolutionary dynamics of plasmid-host adaptation. mBio 3(4): e00077-12.
  • Stolze, Y., F. Eikmeyer, D. Wibberg, G. Brandis, C. Karsten, I. Krahn, S. Schneiker-Bekel, P. Viehöver, A. Barsch, M. Keck, E. Top, K. Niehaus, A.Pühler, and A. Schlüter. 2012. IncP-1beta plasmids of Comamonas ص. و Delftia ص. strains isolated from a wastewater treatment plant mediate resistance to and decolorization of the triphenylmethane dye crystal violet.Microbiology.158: 2060-2072.
  • Van Meervenne, E., E. Van Coillie, F. Devlieghere, L. Herman, L.S.P. De Gelder, E. M. Top, and N. Boon. Strain specific transfer of antibiotic resistance from an environmental plasmid to foodborne pathogens. J. بيوميد. التكنولوجيا الحيوية. 2012: ID 834598.
  • Yano, H., G. E. Deckert, L. M. Rogers, and E. M. Top. 2012. The role of long and short replication initiation protein in the fate of IncP-1 plasmids. J. باكتيريول. 194: 1533&ndash1543.
  • Eikmeyer, F.G., R. Szczepanowski, D.Wibberg, A. Hadiati, S. Schneiker-Bekel, L. M. Rogers, C.J. Brown, E. M. Top, A. Pühler, A. Schlüter. 2012. The complete genome sequences of four new IncN plasmids from wastewater treatment plant effluent provide new insights into IncN plasmid diversity and evolution. Plasmid 68: 13-24
  • Heuer, H., C.T.T. Binh, S. Jechalke, C. Kopmann, U. Zimmerling, E. Krögerrecklenfort, T. Ledger, B. Gonzalez, E. M. Top, K. Smalla. 2012. IncP-1&epsilon plasmids are important vectors of antibiotic resistance genes in agricultural systems: diversification driven by class 1 integron gene cassettes. Frontiers in Microbiology 3: Article 2. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22279444
  • Król, J.E., J.T. Penrod, H. McCaslin, L.M. Rogers, H. Yano, W. Dejonghe, C.J. Brown, R.E. Parales, S. Wuertz, E. M. Top. 2012. Genomic and functional analysis of the IncP-1&beta plasmids pNB8c and pWDL7::rfp explains their role in 3-chloroaniline catabolism. تطبيق بيئة. ميكروبيول. 78: 828-838. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22101050
  • Zhong, X., J. Droesch, R. Fox, E. M. Top, and S M. Krone. 2012. On the meaning and estimation of plasmid transfer rates for surface-associated and well-mixed bacterial populations. J. Theor. بيول. 294: 144&ndash152. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22085738

Research Projects

Dr. Top's lab is a member of Biology, Institute for Bioinformatics and Evolutionary Studies (IBEST) and the Bioinformatics & Computational Biology (BCB) Graduate Programs.


Types of vectors:

1) Plasmids- extrachromosomal, double-stranded DNA molecules, circular, self-replicating. Contain origin of replication, allowing for replication-independent and found in prokaryotes.

Classification if plasmids

a) Fertility plasmid- fertility plasmid is also known as F plasmid, contains a transferred gene that allows genes to be transferred from one cell to another through conjugation.

على سبيل المثال F plasmid of Escherichia coli

b) Col plasmid- col plasmid contains genes that make bacteriocins (also known as aa colicins), which are protein that kills other bacteria and thus defends the host bacterim.

على سبيل المثال ColE1 of الإشريكية القولونية

c) Resistance plasmid – resistance plasmid or R plasmid contains genes that help the bacteria cell defend against the environment, factors such as poisons or antibiotics.

على سبيل المثال RP4 in Pseudomonas

d) Degradative plasmid- degradative plasmid helps the host bacterium to digest compounds that are commonly found in nature, such as camphor, xylene, toluene. These plasmids contain the gene for special enzymes that break down specifics compound.

على سبيل المثال Tol of Pseudomonas putida

e) Virulence plasmids- when a virulence plasmid is inside the bacterium, it turns that plasmid into pathogen which is an agent of antigens.

على سبيل المثال Ti plasmid of أغروباكتريوم توميفاسيانز

2) Bacteriophage lambda- phage lambda is a bacteriophage or phage i.e. bacterial virus that uses بكتريا قولونية as a host cell. Its structure is as a typical phage- head, tail, fibers. Lamda viral genome contains 485kb linear DNA with 12base ssDNA. Sticky end at both ends and ends is complementary in sequence and can hybridize to each other.

على سبيل المثال phage lambda, M13phage

3) Cosmid- the Cosmid vectors are the combination of plasmid vector and the cos site which allows the target DNA to be inserted into the lambda head.

4) Artificial chromosomes- artificial chromosomes are DNA molecules or fragments assembled in vitro from define constituents, which guarantee stable maintenance of large DNA fragments with the properties of natural chromosomes. Useful for genome sequencing programs, functional characteristics of entire genome regions, and for transduction of large DNA segment into human and non-human mammalian cells.

Types of artificial chromosomes:

a) Bacterial artificial chromosome (BAC)
b) Yeast artificial chromosome(YAC)


شاهد الفيديو: ماهوالبلازميد شرح plasmid (ديسمبر 2022).