Moleküler biyolojide transformasyon, bir hücrenin içine dışarıdan bir DNA parçasının girmesi ve hücrenin genomuyla bütünleşmesi sonucu hücrede gerçekleşen genetik değişikliğe denir.[1] Hücre dışında bulunan serbest DNA parçaları ancak uygun haldeki bakteri, mantar, alg, maya ya da bitki hücrelerine girebilir.[2] Doku kültüründeki ökaryotik hayvan hücrelerinde gerçekleşen transformasyona ise özel olarak transfeksiyon denir.[3] Sıfat hali olarak, yani "transformasyona uğramış" anlamında, 'transforme' kelimesi kullanılır.
Transformasyon, konjugasyon ve transdüksiyon gibi bakterilerdeki yatay gen transferi yollarından biridir.[4] Bir DNA parçası bakteri hücresine bir virüs aracılığıyla girerse buna transdüksiyon; bakteri hücrelerinin birbiriyle direkt teması sonucu birinden diğerine aktarılırsa buna da konjugasyon denir. Bakterilerde ökaryotlardaki gibi bir eşeyli üreme olmadığı için, bakteriler ancak bu üç yoldan biri sayesinde genetik materyallerinin içeriğini çeşitlendirebilirler.
Transformasyon ile hücre dışındaki serbest DNA’nın hücre içine alınabilmesi için bakterinin kompetent halde olması gerekir. Bir bakteri hücresi laboratuvar koşullarında kompetent hale sokulabileceği gibi, bu durum doğada hücrenin bulunduğu ortam koşullarının değişmesi sonucu da ortaya çıkabilir.[5] Bakteri yaşamını tehdit eden ve bu nedenle de bakterileri kompetent hale sokan çevresel koşullara örnek olarak ortamda besinin azalması ya da antibiyotik olması verilebilir.[5] Yapılan çalışmalar doğal transformasyon sırasında bakterilerin gen ifadelerinde değişiklikler yaptığını ve belli proteinleri üreterek kompetent hale gelebildiklerini göstermiştir.[6] Bu proteinler hücre dışındaki DNA’nın bakteri hücresinin içine alınmasını ve alınan DNA parçasının bakterinin kromozomuna rekombine edilmesini sağlayan bir dizi işlemi yerine getirmek için gereklidir.
Son çalışmalar yaklaşık 80 bakteri türünde bu şekilde gen transferi olduğunu göstermiştir, fakat bu sayının tespit edilebilenin çok üzerinde olduğu tahmin edilmektedir.[5] Bacillus subtilis, Streptococcus pneumoniae, Neisseria gonorrhoeae ve Haemophilus influenzae doğal transformasyonun en kapsamlı çalışıldığı bakterilerdir.[7]
Tarihçe
Transformasyon ilk defa 1927'de, bakteriyel pnömoniye karşı bir aşı bulmaya çalışan bir İngiliz bakteriyolog, Frederick Griffith tarafından keşfedilmiştir. Griffith Streptococcus pneumoniae 'nın virülan bir suşunun ısıtılarak öldürülmesinin ardından bunun aynı bakterinin virülan olmayan bir suş ile karıştırılması halinde, zararsız bakterinin virülan hale dönüştüğünü gösterdi. 1944'te bu dönüştürücü faktörün DNA olduğu Oswald Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty tarafından gösterildi. Bu araştırmacılar DNA'nın bakterilerin içine alınması onunla bütünleşmesine "transformasyon" adını verdiler.
Mekanizmalar
Bakteriler
Bakterilerde transformasyon, çıplak (yani hücre veya proteinlerle beraber olmayan) DNA'nın alınması sonucu meydana gelen istikrarlı kalıtsal değişiklik olarak ifade edilebilir. Bakterinin ortamdan yabancı DNA'yı içine alabilme özelliğine yetkinlik (İng. competence) adı verilir. Yetkinliğin iki tipini ayırt etmek gerekir: doğal ve yapay.
Doğal yetkinlik
Bazı bakteriler (tüm bakteri türlerinin %1'i) laboratuvar şartlarında DNA'yı içlerine alma yeteneğine sahiptir; doğal ortamlarında çok daha fazlası bu yeteneğe sahip olabilir. Bu türler, DNA'nın hücre zar(lar)ı içinden içeri taşınmasını sağlayan mekanizmalar için gereken genlere sahiptir.[8]
Yapay yetkinlik
Yapay yetkinlik için gerekli proteinler hücrenin genleri tarafından kodlanmaz. Laboratuvar işlemleri ile, yani doğada normalde rastlanmayan şartlar altında, hücre zarı'nın DNA'ya geçirgen olması sağlanır.[9]
Hücrelerin Ca2+ gibi ikideğerlikli (bivalent) katyonlar varlığında soğutulmasıyla, hücre zarının plazmid DNA'sı için geçirgen olması sağlanabilir. Hücrelerin buz üstünde bekletildikten sonra kısa bir süre için ısı şokuna (örneğin 30–120 saniye boyunca 42 °C'de) tâbi tutulması DNA'nın hücrenin içine girmesine neden olur. Bu yöntem dairesel plazmid DNA'lar için oldukça etkili bir şekilde çalışır.
Bu yöntem, muhtemelen hücredeki eksonükleaz enzimlerinin doğrusal DNA'yı çabucak sindirmelerinden dolayı, kromozomal DNA parçası gibi doğrusal moleküller için iyi çalışmaz. Ancak, doğal yetkin hücreler plazmidlere kıyasla doğrusal DNA molekülleriyle de daha verimli olarak transforme olurlar.
Elektroporasyon bakterilerde (ve diğer hücre tiplerinde) delik açmanın bir diğer yoludur, burada hücreler kısa süreli bir elektrik alanı (10-20kV/cm) içinde şok edilirler. Plazmit DNA'sı bu deliklerden hücre içine girer.[10] Doğal membran tamir mekanizmaları şokun ardından bu delikleri kısa sürede onarırlar.
Hücrenin içinde varlığını sürdürebilmek için bir plazmit DNA 'sında bir ikileşme merkezi (replikasyon orijini) bulunması gerekir, bu bölge sayesinde plazmit, kromozomdan bağımsız olarak ikilenir. Laboratuvarda transformasyon işlemi sonucunda genelde çok sayıda transforme olmamış hücre arasında az sayıda transforme olmuş hücre bulunduğundan, plazmiti taşıyan hücrelerin tanınması için bir yöntem gerekir. Transformasyon deneylerinde kullanılan plazmitlerde genellikle bir antibiyotik direnç geni bulunur, plazmiti taşımayan bakteriler bu antibiyotiğe duyarlıdır. Dolayısıyla, transformasyonda kullanılan plazmite özgü bu antibiyotiği içeren seçici bir besiyerinde çoğalabilen hücrelerin bu plazmit ile transformasyona uğradıkları söylenir.
Kaynakça
- ^ Transformation 11 Ocak 2021 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., U.S. National Library of Medicine
- ^ Chen I, Dubnau D (2004). "DNA uptake during bacterial transformation". Nat. Rev. Microbiol. 2 (3). ss. 241-9. doi:10.1038/nrmicro844. PMID 15083159.
- ^ Transfection, U.S. National Library of Medicine
- ^ Anthony J. F. Griffiths, Susan R. Wessler, Sean B. Carroll, John Doebley (2015). "An Introduction to Genetic Analysis". ISBN-10: 1464109486
- ^ a b c Johnston, C., Martin, B., Fichant, G.; ve diğerleri. (2014). "Bacterial transformation: distribution, shared mechanisms and divergent control". Nat. Rev. Microbiol., 12. ss. 181-196. doi:10.1038/nrmicro3199.
- ^ Dubnau, D. and Blokesch, M. (2019). "Mechanisms of DNA Uptake by Naturally Competent Bacteria". Annual Review of Genetics, 53:1. ss. 217-237. doi:10.1146/annurev-genet-112618-043641.
- ^ Inês Chen, Peter J. Christie, David Dubnau (2005). "The Ins and Outs of DNA Transfer in Bacteria". Science. 310 (5753). ss. 1456-1460. doi:10.1126/science.1114021.
- ^ Chen I, Dubnau D (2004). "DNA uptake during bacterial transformation". Nat. Rev. Microbiol. 2 (3). ss. 241-9. doi:10.1038/nrmicro844. PMID 15083159.
- ^ Large-volume transformation with high-throughput efficiency chemically competent cells. Focus 20:2 (1998).
- ^ Transformation efficiency of E. coli electroporated with large plasmid DNA. Focus 20:3 (1998).
