الاقتران Conjugation

في عملية معاودة الإرتباط recombination التي تسمى الاقتران conjugation، تجتمع خليتين بكتيريتين حيتين والخلية المانحة donor cell تنقل DNA مباشرة إلى الخلية المستقبلة recipient cell. لوحظت هذه العملية لأول مرة في عام 1946 بواسطة جوشوا ليدربيرغ Joshua Lederberg وإدوارد تاتوم Edward Tatum في سلسلة من التجارب على إشيريشيا كولاي Escherichia coli. مزج ليدربيرغ وتاتوم سلالاتين مختلفتين من إشيريشيا كولاي E. coli ووجدا أنه يمكن أن تنتقل الصفات الوراثية genetic traits إذا حدث الإتصال.

تتطلب عملية الاقتران جهاز اقتران خاص يسمى شعرة الاقتران conjugation pilus. لاتصال خلية الى خلية cell-to-cell، تنتج الخلية المانحة، تسمى ⁺F، شعرة الاقتران التي تتصل بالخلية المستقبلة، تعرف باسم خلية ^-F. تسمى الخلية المانحة ⁺F لأنها تحتوي على عامل F، وهو بلازميد plasmid يحتوي على حوالي 100 جين genes، معظمها ترتبط بتضاعف DNA البلازميدي plasmid DNA replication وإنتاج شعرة الاقتران. تفتقر الخلية ^-F للبلازميد، وتقصر الشعرة لجعل الخليتين قريبة من بعضها البعض.

بعد تشكيل الزوج pair، يتضاعف DNA عامل F عبر آلية الدائرة المتدحرجة rolling-circle, يبقى شريط واحد من DNA البلازميدي في حلقة مغلقة، بينما يكسر انزيم الشريط الآخر عند نقطة تسمى أصل النقل origin of transfer (oriT). هذا DNA المفرد الشريط single-stranded عندئذ "يدحرج rolls off" الحلقة ويمر عبر قناة الإزفاء translocation channel إلى الخلية المستقبلة؛ ويستغرق النقل حوالي خمس دقائق. بينما يحدث النقل الأفقي horizontal transfer، تخليق DNA في الخلية المانحة ينتج شريط مكمل جديد ليحل محل الشريط المنقول. بمجرد أن يكتمل نقل DNA، تنفصل الخليتين.

في الخلية المستقبلة، DNA يخدم المفرد الشريط الجديد كقالب template لتخليق شريط عديد النيوكليوتيد polynucleotide المكمل، والذي ينشر بعد ذلك لإعادة تشكيل عامل F. هذا يكمل تحول الخلية المستقبلة من ^-F إلى ⁺F وهذه الخلية تمثل الآن خلية مانحة (⁺F) قادرة على الاقتران مع خلية مستقبلة ^-F أخرى. لا يتضمن نقل عامل F الكروموسوم. وبالتالي، لا تكتسب الخلية المستقبلة جينات جديدة غير تلك التي على عامل F.

الكفاءة العالية لنقل DNA عن طريق الاقتران يدل على أن البلازميدات الاقترانية conjugative plasmids يمكن أن تنتشر بسرعة، تحول كافة العشائر إلى خلايا تحتوي على البلازميد. في الواقع، الاقتران يبدو أنه الآلية الرئيسية لنقل مقاومة المضادات الحيوية antibiotic resistance. في التجارب المخبرية، على سبيل المثال، تم إدخال سلالات بكتيرية تحمل جينات بلازميدية مقاومة للمضادات الحيوية في الفئران. يحدث نقل الجينات الأفقي horizontal gene transfer (HGT) عبر الاقتران لعوامل R هذه بسرعة. في الطبيعة، يحدث الاقتران بسرعة في التربة والمياه.

يمكن أن تخضع أيضا أنواع بكتيرية لنوع من الاقتران يمثل نقل أفقي للمادة الكروموسومية chromosomal material من خلية مانحة إلى خلية مستقبلة. الخلايا التي تظهر القدرة على منح الجينات الكروموسومية chromosomal genes تسمى سلالات عالية معدل معاودة الارتباط high frequency of recombination strains (Hfr).

في سلالات Hfr، يرتبط عامل F بالكروموسوم. هذا الارتباط هو حدث نادر يتطلب تسلسل غرز insertion sequence للتعرف على عامل F. عندما يدمج في DNA الكروموسومي، العامل F لم يعد يتحكم في التضاعف الخاص به. ومع ذلك، تحفز خلية Hfr الاقتران تماما مثل خلية ⁺F. عندما توجد خلية مستقبلة، تشكل شعرة الاقتران وترتبط بخلية ^-F. تجتمع الخليتين معا. يثلم شريط واحد من كروموسوم المانح عند نقطة أصل النقل oriT ويمر جزء من DNA البلازميدي/الكروموسومي مفرد الشريط بعد ذلك إلى الخلية المستقبلة.

موقع أصل النقل oriT في الكروموسوم هو في منتصف جينات بلازميد F. لذلك، في الخلية المستقبلة، الجينات الأولى التي تدخل ليست سوى جزء من عامل F وهذه الجينات ليست هي التي تجعل الخلية مانحة ⁺F. في الواقع، الجينات الأخيرة المنقولة إلى الخلية المستقبلة ستتحكم في الحالة المانحة donor state. ولكن, هذه نادرا ما تدخل الخلية المستقبلة لأن الاقتران عادة ينقطع بسبب الحركات التي تكسر الجسر bridge بين الخليتين قبل أن يكتمل النقل الكامل. ما يقارب من 100 دقيقة لازمة لنقل كامل كروموسوم E. coli مع جينات البلازميد plasmid genes – أمر نادر الحدوث في الطبيعة. بالتالي، تبقى الخلية ^-F عادة مستقبلة، على الرغم من أن لديها الآن بعض الجينات الكروموسومية معاودة الإرتباط recombined chromosomal genes، ويشار إليها باسم خلية ^-F معاودة الإرتباط recombinant F^– cell.

في حالة نقل الكروموسوم بالكامل إلى الخلية المستقبلة، ينفصل العامل F عادة من الكروموسوم، وتخلق الانزيمات enzymes شريط من DNA المكمل. يشكل عامل F الآن حلقة loop ليفرض وجوده كبلازميد، وتصبح الخلية المستقبلة خلية (⁺F) مانحة.

أحيانا، في خلية Hfr، يتحرر بلازميد F المتكامل من الكروموسوم، وفي هذه العملية، يأخذ جزء من DNA الكروموسومي. البلازميد مع DNA الإضافي الآن يسمى بلازميد ʹF (ينطق "F-prime"). عندما ينقل بلازميد ʹF أثناء اقتران لاحق، تكتسب الخلية المستقبلة تلك الجينات الكروموسومية المستأصله من الخلية المانحة. تنتج هذه العملية خلية مستقبلة لديها جيناتها الخاصة بها لعملية معينة بالإضافة إلى جينات إضافية من DNA البلازميدي لنفس العملية. بالمعنى الوراثي، الخلية المستقبلة هي كائن ثنائي الصيغة الصبغية diploid جزئيا لأن هناك نوعين من الجينات لوظيفة معينة.

ثبت أن الاقتران يحدث بين خلايا من أجناس genera بكتيرية مختلفة. على سبيل المثال، يحدث الاقتران بين أجناس سالبة لصبغة غرام gram-negative مثل الإشيريشيا Escherichia والشيجيلا Shigella, السالمونيلا Salmonella والسيراتيا Serratia، الإشيريشيا Escherichia والسالمونيلا Salmonella. نقل الجينات الأفقي له أهمية كبيرة بسبب احتمالية نقل الجينات المقاومة للمضادات الحيوية antibiotic-resistance genes المحمولة على البلازميدات. علاوة على ذلك، عندما ترتبط الجينات بالنقالات (الترانسبوزونات) transposons، قد "تقفز" النقالات من البلازميدات العادية إلى عوامل F، وبعدها قد يحدث النقل بواسطة الاقتران.

على الرغم من أن شعرات الاقتران conjugation pili توجد فقط على بعض البكتيريا السالبة لصبغة غرام، يبدو أن البكتيريا الموجبة لصبغة غرام gram-positive أيضاً قادرة على الاقتران. علماء الأحياء الدقيقة Microbiologists أجروا تجارب بشكل مكثف على ستربتوكوكس ميوتانز Streptococcus mutans، وهو مسبب شائع لتسوس الأسنان dental caries. في هذا الكائن الحي، يبدو أن الاقتران يتضمن بلازميدات فقط، لا سيما تلك التي تحمل جينات لمقاومة المضادات الحيوية. علاوة على ذلك، الاقتران لا يتضمن الشعرات. بدلا من ذلك، الخلية المستقبلة على ما يبدو تفرز مواد تشجع الخلية المانحة على إنتاج عوامل تكتل clumping factors تتكون من البروتين protein. تجمع العوامل الخلية المانحة والمستقبلة، وتشكل مسامات pores بين الخليتين لتسمح بنقل البلازميد. لم يثبت النقل الكروموسومي.