خلاصهٔ آموزشی باکتری‌شناسی
انتقال افقی ژن، جهش‌ها و تشخیص مولکولی

انتقال افقی ژن در باکتری‌ها در این بخش از سه مسیر اصلی بررسی می‌شود: همیوغی (Conjugation)، ترنسفورمیشن (Transformation) و ترنس‌داکشن (Transduction). اهمیت این سه مسیر در جزوه، انتقال ویژگی‌هایی مانند بیماری‌زایی و مقاومت آنتی‌بیوتیکی است.

در همیوغی، باکتری دهنده پلاسمیدی دارد که ژن‌های لازم برای تشکیل Sex pilus را کد می‌کند. این ساختار، دهنده را به گیرنده نزدیک می‌کند و پس از ایجاد منفذ ارتباطی، یک رشته از DNA پلاسمیدی از سمت دهنده وارد گیرنده می‌شود. سپس در هر دو سلول همانندسازی انجام می‌شود تا DNA دوباره دو‌رشته‌ای گردد.

پلاسمیدهای دارای ژن‌های انتقال را در جزوه Self-transmissible می‌نامد. مهم‌ترین نمونه، F plasmid یا فاکتور باروری است. بخشی از ژنوم این پلاسمید شامل ژن‌های TRA است که انتقال را ممکن می‌کنند. اگر پلاسمید F در کروموزوم باکتری ادغام شود، سلول حاصل Hfr نام می‌گیرد و می‌تواند در انتقال‌های بعدی بخش‌هایی از کروموزوم میزبان را نیز منتقل کند.

ترنسفورمیشن ساده‌ترین شکل انتقال مطرح‌شده در جزوه است: باکتری DNA آزادشده از یک سلول تجزیه‌شده را از محیط دریافت می‌کند. اگر DNA ورودی تخریب نشود و شرایط مناسب باشد، می‌تواند با DNA باکتری گیرنده ادغام شود یا اگر به‌صورت پلاسمید وارد شده باشد، مستقل همانندسازی کند.

باکتری‌هایی که در جزوه برای ترنسفورمیشن طبیعی نام برده شده‌اند عبارت‌اند از: Haemophilus influenzae، Streptococcus pneumoniae، Neisseria meningitidis، Neisseria gonorrhoeae و Bacillus subtilis.

در مثال گریفیت، باکتری غیر بیماری‌زا در تماس با مادهٔ حاصل از باکتری بیماری‌زای کشته‌شده، ویژگی بیماری‌زایی را دریافت می‌کند. نتیجهٔ مهم برای این بخش این است که یک ویژگی ژنتیکی می‌تواند از باکتری ازبین‌رفته به باکتری زنده منتقل شود.

ترنس‌داکشن انتقال مادهٔ ژنتیکی با واسطهٔ باکتریوفاژ است. در ترنس‌داکشن عمومی، فاژ لیتیک هنگام سرهم‌شدن ممکن است به‌طور تصادفی قطعه‌ای از DNA باکتری را بسته‌بندی کند؛ بنابراین از نظر تئوری هر بخش ژنوم می‌تواند منتقل شود. در ترنس‌داکشن اختصاصی، فاژ لیزوژن هنگام خروج از کروموزوم ممکن است ژن‌های مجاور محل ادغام خود را نیز بردارد؛ پس فقط ژن‌های خاصِ مجاور قابل انتقال‌اند.

Pathogenicity islands بخش‌هایی از ژنوم باکتری‌اند که چندین ژن ویرولانس در کنار هم قرار گرفته‌اند. طبق جزوه، این نواحی اغلب با نقاطی مرتبط‌اند که ژنوم فاژ می‌تواند در آن‌ها وارد ژنوم باکتری شود؛ بنابراین انتقال فاژی می‌تواند ژن‌های بیماری‌زایی را نیز جابه‌جا کند.

موتاسیون یعنی تغییر در توالی نوکلئوتیدی DNA و یکی از منابع تنوع ژنتیکی در باکتری‌ها است. موتاسیون‌های خودبه‌خودی معمولاً هنگام همانندسازی رخ می‌دهند، اما سیستم‌های ترمیمی مانند DNA mismatch repair بسیاری از این خطاها را اصلاح می‌کنند.

موتاژن عامل خارجی ایجادکنندهٔ جهش است. جزوه به اسید نیترو، رنگ‌های آکریدینی، UV و پرتوهای یونیزان مانند X و گاما اشاره می‌کند. آکریدین‌ها می‌توانند بین رشته‌های DNA قرار بگیرند و در همانندسازی باعث حذف یا اضافه‌شدن نوکلئوتید شوند. اسید نیترو نیز با تغییر شیمیایی بازها می‌تواند الگوی جفت‌شدن را تغییر دهد.

سه الگوی اصلی در این بخش مطرح‌اند. در Missense یک تغییر نوکلئوتیدی موجب تغییر یک اسیدآمینه می‌شود و لزوماً همیشه عملکرد پروتئین را مختل نمی‌کند. در Nonsense یک کدون اسیدآمینه به کدون پایان تبدیل می‌شود و پروتئین ناقص می‌ماند. در Frameshift چارچوب خوانش از نقطهٔ جهش به بعد تغییر می‌کند.

UV بین پیریمیدین‌های مجاور روی یک رشته DNA دایمر ایجاد می‌کند؛ این اتفاق بیشتر بین تیمین‌ها مطرح است. چنین دایمری همانندسازی صحیح را مختل می‌کند و در چرخه‌های بعدی می‌تواند توالی DNA را تغییر دهد. در جزوه نمونهٔ تبدیل CC به TT برای نشان‌دادن نتیجهٔ نهایی این خطا مطرح شده است.

Polymerase Chain Reaction برای تکثیر یک قطعهٔ مشخص DNA در محیط آزمایشگاهی استفاده می‌شود. تفاوت کلیدی با همانندسازی طبیعی این است که در سلول، کل ژنوم تکثیر می‌شود؛ اما در PCR فقط قطعه‌ای که با پرایمرها تعریف شده است تکثیر می‌شود. جداسازی دو رشته DNA در PCR به‌جای هلیکاز و ژیراز، با تغییر دما انجام می‌شود.

در PCR کیفی نتیجه به‌صورت وجود یا عدم وجود قطعهٔ هدف گزارش می‌شود. در PCR کمی که جزوه آن را با Real-Time PCR مرتبط می‌کند، علاوه بر حضور، مقدار عامل نیز ارزیابی می‌شود. این مفهوم به‌ویژه زمانی مهم است که بار عامل عفونی اهمیت بالینی داشته باشد.

جزوه مثال می‌زند که در یک باکتری می‌توان ژن خاصی مانند cagA در H. pylori را هدف گرفت. همچنین می‌توان DNA را مستقیم از نمونهٔ بیمار استخراج کرد تا زمان کشت حذف شود. بااین‌حال در متن جزوه، کشت همچنان به‌عنوان روش اصلی و بسیار اختصاصی مطرح شده و PCR نقش مهم کمکی و تسریع‌کننده دارد.

جدول افتراقی نهایی انتقال ژن

جدول مرور جهش‌ها

۲۵ دام امتحانی

1. همیوغی را با اتصال سادهٔ فیمبریه‌ای اشتباه نکن؛ انتقال ژنتیکی به Sex pilus مربوط است.
2. گیرنده پس از دریافت و همانندسازی F plasmid می‌تواند به دهندهٔ جدید تبدیل شود.
3. Hfr یعنی F plasmid در کروموزوم ادغام شده است.
4. انتقال کل کروموزوم در همیوغی تقریباً غیرممکن دانسته شده، اما انتقال قطعات کروموزومی ممکن است.
5. ترنسفورمیشن یعنی دریافت DNA عریان از محیط، نه انتقال با فاژ.
6. همهٔ باکتری‌ها به‌طور طبیعی competent نیستند.
7. CaCl₂، شوک حرارتی و الکتروپوریشن در جزوه برای ترنسفورمیشن آزمایشگاهی مطرح شده‌اند.
8. آزمایش گریفیت نمونهٔ کلاسیک انتقال ویژگی از باکتری کشته‌شده به باکتری زنده است.
9. Generalized transduction تصادفی است؛ Specialized transduction به ژن‌های مجاور محل پروفاژ محدود می‌شود.
10. در generalized transduction فاژ لیتیک در جزوه نقش اصلی دارد.
11. در specialized transduction فاژ لیزوژن مطرح است.
12. جزیرهٔ بیماری‌زایی یک خوشهٔ چندژنی ویرولانس است، نه یک ژن منفرد.
13. DNA polymerase III آنزیم اصلی همانندسازی است.
14. DNA polymerase I در جزوه نقش ترمیمی دارد.
15. موتاسیون خودبه‌خودی با موتاژن خارجی متفاوت است.
16. Acridine dyes می‌توانند insertion/deletion ایجاد کنند.
17. UV با دایمر پیریمیدینی شناخته می‌شود.
18. پرتوهای X و گاما در گروه پرتوهای یونیزان و تولید رادیکال آزاد مطرح‌اند.
19. Missense الزاماً پروتئین را کاملاً غیرفعال نمی‌کند.
20. Nonsense یک کدون پایان زودرس ایجاد می‌کند.
21. Frameshift معمولاً نتیجهٔ insertion/deletion غیرمضرب سه است.
22. PCR کل ژنوم را تکثیر نمی‌کند؛ قطعهٔ تعریف‌شده با پرایمر تکثیر می‌شود.
23. Denaturation با دمای بالا، Annealing با کاهش دما و Extension حدود ۷۲ درجه انجام می‌شود.
24. پرایمر برای آغاز سنتز ضروری است؛ DNA polymerase از ابتدا de novo شروع نمی‌کند.
25. PCR کیفی حضور/عدم حضور و PCR کمی مقدار عامل را بررسی می‌کند.

۲۶ سؤال و پاسخ مرور