Transformatsioon (geneetika)

Molekulaarbioloogias mõistetakse transformatsiooni all raku geneetilist muutumist, mis johtub võõr-DNA sattumisest väliskeskkonnast läbi rakumembraani rakku, selle liitmisest raku enda geneetilise materjaliga ning võõrgeeni ekspressioonist. Transformatsiooni tuleb ette nii looduses mõnede bakteriliikide puhul kui ka sihipärase tegutsemise tulemusena laboris. Transformatsioon on yks kolmest protsessist, mille käigus on võimalik võõr-DNA-d bakterirakku viia. Teisteks võimalusteks on konjugatsioon, mis ilmneb kahe bakteri otsesel kokkupuutel, ja transduktsioon, kus eksogeenne materjal viiakse bakterirakku bakteriofaagi abil. Baktereid, kes on võimelised transformeeruma, nimetatakse kompetentideks. Ka teisi rakke peale bakterite on võimalik transformeerida, näiteks taime- ja loomarakke, kuid eelistatum mõiste kirjeldamaks võõr-DNA viimist eukaryootsesse rakku on transfektisoon. Loomarakkude puhul välditakse antud protsessi puhul transformatsiooni mõiste kasutamist, sest "malignant transformation" ehk pahaloomuline transformatsioon tähendab yhtlasi ka normaalsete rakkude muutumist pahaloomulisteks kasvajarakkudeks, mil pole midagi pistmist rakuvälise geneetilise materjali sattumisega rakku.

Ajalugu

Esmakordselt demonstreeris transformatsiooni toimumist aastal 1928 briti bakterioloog Frederick Griffith, kes tegeles kahe Streptococcus pneumoniae tyve uurimisega. Kui Griffith systis hiiri ohutu tyve (II-R) bakterite või kuumusega tapetud haigust tekitava tyve (III-S) bakteritega, jäid hiired ellu, kuid nende kahe kombinatsioon osutus hiirtele surmavaks. Surnud hiirte verest õnnestus tal isoleerida mõlema tyve elusaid rakke ning järeldas sellest, et mingi seaduspära järgi on võimalik yhe bakterityve muundumine teiseks. Tema mõtet arendasid edasi Oswald Avery, Colin MacLeod ja Maclyn McCarty, kes tõestasid aastal 1944, et tegu on geneetilise materjali ylekandega. Kasutades samu tyvesid, isoleerisid nad virulentse tyve DNA ja näitasid, et selle viimisest II-R tyvesse piisab, et kahjutu tyvi samuti virulentseks muutuks, kummutades sellega tol ajal laialt levinud arusaama, et valgud on pärilikkust kandvaks materjaliks. DNA hõivamist väliskeskkonnast rakku ja selle arvamist raku enese DNA hulka hakkasid nad nimetama transformatsiooniks. Algul suhtuti nende avastusse kyll suure umbusuga, kuid geneetiliste markerite kasutuselevõtt ja teiste geneetilise materjali ylekandemeetodite avastamine Joshua Lederbergi poolt (konjugatsioon 1947. ja transduktsioon 1953. aastal) veenis teaduskogukonda Avery tulemusi tunnustama.

Siiski oldi ysna veendunud, et Escherichia coli ei ole transformatsioonialdis. Alles aastal 1970 näitasid Morton Mandel ja Akiko Higa, et kaltsiumkloriidi lahusega töötlemise tagajärjel on E. coli võimeline väliskeskkonnast ilma faagi abita bakteriofaagi DNA-d inkorporeerima. Paar aastat hiljem tõestasid Stanley Cohen, Annie Chang ja Leslie Hsu, et sarnane meetod on efektiivne ka plasmiidse DNA puhul. Mandeli ja Higa meetodit arendas hiljem edasi Douglas Hanahan. Kunstlikult tekitatud kompetentsuse võimalikkus E. coli kui laialdaselt kasutatava mudelorganismi puhul pani aluse mugava ja efektiivse metoodika arendamisele bakterite transformeerimiseks, mis võimaldab biotehnoloogias ja teadustöös kasutada varasemast oluliselt lihtsamaid molekulaarse kloneerimise võtteid. Praeguseks on transformatsiooni näol tegu igapäevase laboriprotseduuriga.

Transformatsioon elektroporatsiooni teel arendati välja 1980 aastate lõpul, tuues kaasa in-vitro transformatsiooni efektiivsuse tõusu ja võimaluse enamate bakterityvede transformatsiooniks. Uuriti ka taime- ja loomarakkude transformeerimise võimalusi, mis päädis esimese transgeense hiire loomisega aastal 1982, systides hiire embryosse geeni roti kasvuhormooni jaoks. Varajastel 70-dail avastati, et Ti-plasmiid Agrobacterium tumefaciensi rakkudes on põhjuseks, miks antud bakter taimedele kasvajaid tekitab. Ti-plasmiid integreerub taime genoomi, kutsudes esile tuumorite teket. Asendades Ti-plasmiidis kasvajat tekitava geeni mõne muu huvipakkuva geeniga on võimalik A. tumefaciensiga taimi nakatades kaheiduleheliste taimede genoomi viia valitud DNA. Yheiduleheliste ja mõningate teiste A. tumefaciensi suhtes tundetute taimede transformatsiooniks kasutatakse elektroporeerimist ning mikro-injektsiooni. Biolistilise meetodi ehk raku pommitamise geneetilise materjaliga kaetud metalliioonidega võttis 1990 aastal kasutusele John Stanford.

Mehhanismid

Bakterid

Bakterite puhul mõistetakse transformatstiooni all pysivat muutust, mida on toonud kaasa vaba DNA hõivamine väliskeskkonnast rakku ja kompetentsuse all peetakse silmas võimet vaba DNA-d rakuvällisest keskkonnast rakku võtta. Kompetentsus võib olla nii loomulik kui kunstlik.

Looduslik kompetentsus

Umbes 1% bakteriliikidest on loomulikult kompetentsed, olles võimelised laborikeskkonnas ilma lisatöötluseta vaba DNA-d oma rakku võtma. On alust arvata, et looduslikus keskkonnas on see protsent suurem. Kui DNA kandub yle yhelt bakterityvelt teisele, nimetatakse seda horisontaalseks geeniylekandeks, st geneetilise materjali saamine teiselt organismilt, olemata selle järglane. [viide http://en.wikipedia.org/wiki/Horizontal_gene_transfer] Lähedaste liikide vahel toimib transformatsioon paremini kui evolutsiooniliselt kaugemate liikide puhul.

Tulenevalt Gram-positiivsete ja Gram-negatiivsete bakterite rakukesta erinevustest esineb mõningaid erinevusi viisis, kuidas täpselt bakterid rakuvälist DNA-d enda sisse toovad, kuid yldjoontes kasutavad nad selleks sarnaseid valke.