Horisontaalne geenisiire (HGT) (või lateraalne geenisiire) on mis tahes protsess, mille käigus organism saab geneetilist materjali teiselt organismilt, ilma et ta oleks selle organismi järeltulija.

Seevastu vertikaalne ülekanne toimub siis, kui organism saab geneetilist materjali oma esivanemalt, nt oma vanemalt või liigilt, millest ta on arenenud.

Enamasti on geneetikas keskendutud vertikaalsele ülekandele, kuid üha enam ollakse teadlikud, et horisontaalne geenisiire on oluline nähtus. Ühe rakulise organismi puhul võib see olla geneetilise ülekande domineeriv vorm. Kunstlik horisontaalne geenisiire on geenitehnoloogia üks vorm.

Kuidas HGT toimub (peamised mehhanismid)

HGT-i võivad vahendada mitmed erinevad mehhanismid. Peamised teed on:

  • Konjugatsioon — otsekontakt kahe bakteriraku vahel, kus sageli plasmid või mobiliseeritud DNA liiguvad ühelt rakult teisele läbi konjugatsioonivarda või -silla.
  • Transformatsioon — vaba DNA haaramine keskkonnast, näiteks surnud rakkude lagunemisest pärineva DNA kasutamine ja selle integreerimine vastuvõtva raku genoomi.
  • Transduktsioon — bakteriofaagide (viiruste) vahendatud DNA ülekandmine ühest rakust teise; faag võib juhuslikult pakendada peremees-DNA fragmente ja üle kanda need järgmistesse rakkudesse.
  • Mobilsete elementide vahendamine — transposoonid, integronid ja muud mobiilsed elemendid võivad kanda geene (näiteks resistentsusgeene) ning liigutada neid genoomi eri kohtadesse või plasmidide vahel.
  • Endosümbiootiline ja organellide geenide ülekandmine — otsene või pikaajaline sümbioos võib viia geenide üleviimiseni näiteks bakterilt eukarüoodsetele peremeesrakkudele (näiteks osa kloroplasti- ja mitokondriageenidest on üle viidud tuuma genoomi).

Mõju ja näited

  • Antibiootikumiresistentsuse levi — üks praktiliselt kõige olulisemaid HGT näiteid kliinilises kontekstis: resistentsusgeenid liiguvad plasmidide ja transposoonide kaudu bakterite vahel kiiresti, mis raskendab nakkuste ravi.
  • Pidev kohanemine ja uute omaduste omandamine — bakterid ja teised mikroobid võivad omandada ainevahetusgeene, toksiinigeene või saasteaineid lagundavaid geene, mis annab neile võime asustada uusi nišše.
  • Agrobacterium ja taimede geneetiline muundumine — Agrobacterium tumefaciens suudab viia osa oma DNA-st taime rakkudesse (T-DNA), põhjustades tüvekasvu; seda mehhanismi on ära kasutatud taimede geenitehnoloogias.
  • Geeniülekanded eukarüootides — kuigi harvem, on kirjeldatud juhtumeid, kus bakteriaalne DNA on integreerunud mitmete loomade ja taimede genoomi; mõnel juhul on sellest sõltunud olulised fenotüübid.
  • Endosümbiootilisest geneetilisest integratsioonist tulenevad muutused — näiteks organellide päritolu arenguajal on toimunud märkimisväärne geenisiire bakteritest eukarüootide tuumasse.

Kuidas HGT-d tuvastatakse

Teadlased kasutavad mitut lähenemist, et tuvastada HGT-sündmusi:

  • fülogeneetiline ebakõla — geeni filogeneetiline puu ei lange kokku organismi põhifilogeneesiaga;
  • atüüpiline nukleotiidikoostis — geeni GC-sisu või kodonikasutus erineb ülejäänud genoomist, mis võib viidata hiljutisele ülekandele;
  • mobiilsete elementide ja plasmidide identifitseerimine — geeni leitakse plasmidil või on selle ümber integraalset tunnusmärki;
  • geneetilise sünkroonsuse ja genoomi struktureeritud muutuste analüüs — näiteks sünkroonsuse kaotus (synteny) teistes lähedastes liikides.

Kunstlik horisontaalne geenisiire ja rakendused

Kunstlikult juhitud HGT on geenitehnoloogia alus: teadlased viivad geene ühte organismi teisest, et anda uusi omadusi (näiteks saagi parem taluvus, haiguskindlus või biotehnoloogiline tootmine). Meetodid hõlmavad plasmidide kasutamist, vektorite abil viimist ning moodsaid tehnikaid nagu CRISPR-Cas süsteem. Sellised lähenemised on olulised meditsiinis, põllumajanduses ja tööstuslikus biotehnoloogias.

Olulised tagajärjed, riskid ja piirangud

  • HGT võib kiirendada resistentsuse ja patogeensuse levikut, mis on ühiskondlik probleem tervishoius.
  • Kuigi HGT on võimas jõud evolutsioonis, ei ole iga teoreetiline ülekande­sündmus edukas — geen peab sobituma vastuvõtja regulatoorsesse ja biokeemilisse võrgustikku, et avalduda fenotüübiliselt.
  • Teaduspõhine järelevalve ja biokaitse on vajalikud, et jälgida ning piirata kahjulike geenide levikut looduses ja kliinilistes keskkondades.

Oluline meeles pidada

Horisontaalne geenisiire on evolutsiooniline ja ökoloogiline jõud, mis kujundab mikroobide, taimede ja mõnikord ka loomade genoomi. Selle tundmine aitab mõista bakterite kiiret kohanemist, võimaldab arendada ravistrateegiaid ja suunata geenitehnoloogia eetilist ning turvalist kasutamist.