Integrative and conjugative element

Integrative and conjugative elements are bacterial mobile genetic elements that primarily reside in the host cell’s chromosome, yet have the ability to be transferred between cells by conjugation. ICEs can be considered as mosaic elements, combining features from other mobile elements: the integrative ability of bacteriophage or transposons, and the transfer mechanisms of conjugative plasmids. This mosaicism is reflected in modular structures: genes encoding the core functions of integration/excision, conjugation and regulation are generally found clustered together. As well as these core functions, ICEs often carry accessory genes that can bestow adaptive phenotypes on their hosts. Gene cassettes encoding antibiotic resistance, nitrogen fixation, virulence factors and various other functions have all been documented in ICEs. They are therefore important vectors for the horizontal dissemination of genetic information, facilitating rapid bacterial evolution.

Chromosomal integration and excision of ICEs is mediated by integrase (Int) enzymes. Most commonly integrases are tyrosine recombinases related to the well studied phage λ Int. They mediate site-specific recombination events between identical or near-identical sequences in the host and ICE genomes (termed attB and attP respectively). These integration events normally occur into tRNA genes. No definitive reason for this association of tyrosine recombinase mediated integration with tRNA genes is known, however tRNA genes evolve more slowly than protein coding genes, potentially broadening the possible host range. Other ICEs encode transposase family tyrosine recombinase Ints that have broader target sequence preferences. Members of the DDE transposase and serine recombinase families also serve as integrases in some ICEs. Before ICE transfer occurs, the element is excised and circularised. Excision of ICEs also requires Int activity, however the process is biased towards excision by ‘recombination directionality factors’ (RDFs). If chromosomal replication or cell devision occurs whilst the ICE is in the excised chromosomal state, the element could be lost from the cell. To prevent this ICEs (like plasmids) often encode addiction modules (toxin-antitoxin systems) that kill cells not inheriting the ICE.

Conjugative transfer occurs via the formation of a multiprotein apparatus that connects the donor and recipient cells: a type IV secretion system (T4SS). This consists of a membrane spanning secretion channel and often an extracellular pilus. The extrachromosomal ICE DNA is first nicked at the origin of transfer (oriT) by a relaxase (MOB) enzyme. Rolling circle replication is then initiated. MOB remains bound to the displaced single-stranded DNA and this nucleoprotein complex is targeted to the T4SS by a coupling protein (T4CP). Rather than using a T4SS, some ICEs are transferred between cells using FtsK-like DNA translocase pumps (in this case dsDNA is transferred). After transfer, the ssDNA ICE is replicated into dsDNA and integrated into the recipient cell’s chromosome. The ICE in the donor cell is also converted into dsDNA and re-integrated into the genome.

ICE transmission is under the control of networks responsive to environmental stimuli. For instance, transfer of the SXT-R391 family of ICEs is controlled by SelR, a homologue of the λ repressor CI. Regulation occurs by a similar mechanism as that controlling the λ switch from lysogeny to lysis. As with CI, SetR repression can be relieved by the action of RecA, the main effector of the ‘SOS’ response to DNA damage. Other ICEs transmission have been shown to be under the control of quorum sensing networks.

A recent bioinformatic study of ICE prevalence and diversity identified ICEs by finding clustered conjugative apparatus modules (Guglielmini et al). If these were found on chromosomal locations they were defined as belonging to ICEs, whilst those on extra-chromosomal elements were considered conjugative plasmids. No reference was made to the presence of integrases. Within this definition ICEs were more common than conjugative plasmids: 18% of sequenced prokaryotic genomes contained at least one ICE as opposed to 12% possessing conjugative plasmids. ICEs are generally defined as not being capable of autonomous extra-chromosomal replication and maintenance. This is opposed to conjugative plasmids that include replication origins and systems. However, this definition is not watertight, as there appear to be various exceptions. Likewise, conjugative plasmids can be integrated chromosomally, either by homologous recombination at repeat sequences, or by site-specific recombination events. These elements therefore exist on a spectrum. Phylogenetic analysis of VirB4 genes (an ATPase component of T4SS) shows that ICEs and conjugative plasmids do not segregate as monophyletic clades. Instead they are intermingled throughout the tree, suggesting that conjugative plasmids often become ICEs and vice versa. Guglielmini et al. therefore consider them as two sides of the same coin. If selection pressures are strong enough though, ICEs can be stabilised as chromosomal structures for long periods of time.

A striking example of the potency and evolutionary importance of ICEs is found in the genomes of the obligate intracellular bacterial family Rickettsiales. One third of the genome of Orientia tsutsugamushi (the mite borne causative agent of scrub typhus) is made up of degenerate copies of an ICE named RAGE (Rickettsiales amplified genetic element). Multiple invasions of RAGE have also configured the genome of a Rickettsial endosymbiont of a deer tick (REIS). In this case RAGEs have acted as hotspots for recombination and the insertion of other mobile elements, leading to the insertion of clusters of novel horizontally transferred genes (a process termed piggybacking). These two Rickettsiales species have especially large genomes for obligate intracellular bacteria, but it seems likely that RAGE has been important in the evolution of this entire clade.

Kết quả (Việt) 1:

Yếu tố tích hợp và plasmid là vi khuẩn yếu tố di truyền điện thoại di động mà chủ yếu nằm trong nhiễm sắc thể của tế bào chủ, nhưng vẫn có khả năng được chuyển giao giữa các tế bào bằng cách chia động từ. ICEs có thể được coi như là yếu tố khảm, kết hợp các tính năng từ các yếu tố khác của điện thoại di động: khả năng tích hợp độ bacteriophage hoặc transposon và các cơ chế chuyển một plasmid plasmid. Mosaicism này được phản ánh trong các mô-đun cấu trúc: gene mã hóa chức năng cốt lõi của hội nhập/cắt bỏ, chia động từ và quy định được thường tìm thấy nhóm lại với nhau. Cũng như các chức năng cốt lõi, ICEs thường mang gen phụ kiện có thể ban cho thích nghi phenotypes trên máy chủ của họ. Gene băng cát-sét mã hóa kháng kháng sinh, sự cố định nitơ, virulence yếu tố và các chức năng khác có tất cả được tài liệu trong ICEs. Họ do đó là quan trọng vectơ để ngang phổ biến thông tin di truyền, tạo điều kiện cho sự tiến hóa vi khuẩn nhanh chóng.Nhiễm sắc thể tích hợp và cắt bỏ ICEs trung gian của integrase (Int) enzyme. Phổ biến nhất integrases là tyrosine recombinases liên quan đến nghiên cứu tốt phage λ Int. Họ trung gian gen trang sự kiện giữa trình tự giống hệt nhau hoặc gần giống nhau trong các máy chủ và bộ gen ICE (gọi là attB và attP tương ứng). Các sự kiện hội nhập bình thường xảy ra vào những gen. Không có lý do cuối cùng cho tyrosine recombinase trung gian hội nhập với những gen được biết đến, Tuy nhiên những gen phát triển chậm hơn protein mã gen, có khả năng mở rộng phạm vi của máy chủ lưu trữ có thể. ICEs khác mã hóa transposase gia đình tyrosine recombinase một mà có rộng hơn mục tiêu thứ tự ưu tiên. Các thành viên của các DDE transposase và serine recombinase họ cũng phục vụ như là integrases trong một số ICEs. Trước khi băng chuyển giao xảy ra, các yếu tố excised và circularised. Cắt bỏ ICEs cũng yêu cầu hoạt động Int, Tuy nhiên quá trình thành kiến về phía cắt bỏ bởi 'gen yếu tố sang' (RDFs). Nếu nhiễm sắc thể nhân rộng hoặc tế bào devision xảy ra trong khi băng là nhiễm sắc thể bang excised, các yếu tố có thể bị mất từ các tế bào. Để ngăn chặn này ICEs (như plasmid) thường mã hóa mô-đun nghiện (toxin-antitoxin hệ thống) mà giết chết tế bào không kế thừa ICE.Plasmid chuyển giao xảy ra thông qua sự hình thành của một bộ máy multiprotein kết nối các tế bào nhà tài trợ và người nhận: một loại IV tiết hệ thống (T4SS). Điều này bao gồm một màng bao trùm tiết kênh và thường là một bụi ngoại bào. Extrachromosomal ICE DNA nicked đầu tiên bởi một loại enzyme relaxase (đám đông) tại nguồn gốc của chuyển giao (oriT). Sau đó bắt đầu lăn nhân rộng vòng tròn. Bọn xã hội đen vẫn bị ràng buộc để dời đơn-stranded DNA và này nucleoprotein phức tạp nhắm mục tiêu đến các T4SS bởi một protein khớp nối (T4CP). Thay vì sử dụng một T4SS, một số ICEs được chuyển giao giữa các tế bào bằng cách sử dụng máy bơm translocase giống như FtsK DNA (trong trường hợp này dsDNA được chuyển giao). Sau khi chuyển giao, ssDNA băng sao chép vào dsDNA và tích hợp vào các tế bào người nhận nhiễm sắc thể. ICE trong tế bào nhà tài trợ cũng chuyển đổi thành dsDNA và tái tích hợp vào bộ gen.ICE truyền là dưới sự kiểm soát của mạng đáp ứng với sự kích thích môi trường. Ví dụ, chuyển gia đình SXT-R391 của ICEs được điều khiển bởi SelR, một homologue của λ repressor CI. Quy định xảy ra bởi một cơ chế tương tự như kiểm soát λ chuyển từ lysogeny sang lysis. Như với CI, SetR áp có thể được thuyên giảm bởi hành động của RecA, effector chính của phản ứng 'SOS' để thiệt hại DNA. Khác ICEs truyền đã được hiển thị để dưới sự kiểm soát của đại biểu cảm biến mạng.Bioinformatic một nghiên cứu gần đây của tỷ lệ ICE và đa dạng xác định ICEs bằng cách tìm nhóm plasmid máy mô-đun (Guglielmini và ctv). Nếu những đã được tìm thấy trên nhiễm sắc thể địa điểm họ đã được định nghĩa là thuộc về ICEs, trong khi những người trên nhiễm sắc thể thêm yếu tố được coi là plasmid plasmid. Không có tài liệu tham khảo được thực hiện với sự hiện diện của integrases. Trong định nghĩa này ICEs phổ biến hơn plasmid plasmid: 18% của bộ gen so nói chứa ít nhất một băng như trái ngược với 12% sở hữu plasmid plasmid. ICEs nói chung được định nghĩa là không có khả năng tự trị nhiễm sắc thể thêm rộng và bảo trì. Điều này trái ngược với plasmid plasmid bao gồm sao chép nguồn gốc và hệ thống. Tuy nhiên, định nghĩa này là không kín nước, như có xuất hiện để là các trường hợp ngoại lệ. Tương tự như vậy, plasmid plasmid có thể được tích hợp chromosomally, bởi gen tương đồng tại lặp lại trình tự hoặc bởi sự kiện trang gen. Những yếu tố này do đó tồn tại trên một quang phổ. Phân tích phát sinh loài VirB4 gen (một thành phần ATPase của T4SS) cho thấy rằng ICEs và plasmid plasmid không phân biệt như nhánh đơn ngành. Thay vào đó, họ được intermingled trong suốt cây, gợi ý rằng plasmid plasmid thường trở nên ICEs và ngược lại. Guglielmini et al. do đó xem xét chúng như là hai bên trong cùng tiền xu. Nếu áp lực lựa chọn là đủ mạnh mặc dù, ICEs có thể được ổn định như nhiễm sắc thể cấu trúc cho thời gian dài.Một ví dụ nổi bật của các tiềm năng và tiến hóa tầm quan trọng của ICEs được tìm thấy trong bộ gen của gia đình vi khuẩn nội bào bắt Rickettsiales. Một phần ba của bộ gen của Orientia tsutsugamushi (các mite chịu các tác nhân gây bệnh của bệnh sốt phát ban scrub) này bao gồm các bản sao thoái hóa của một băng tên là cơn thịnh nộ (Rickettsiales khuếch đại yếu tố di truyền). Nhiều cuộc xâm lược của cơn thịnh nộ cũng đã cấu hình bộ gen của một symbiosum Rickettsial của một đánh dấu hươu (REIS). Trong trường hợp này RAGEs đã hành động như là điểm nóng cho gen và chèn các yếu tố khác điện thoại di động, dẫn đến việc chèn các cụm của cuốn tiểu thuyết theo chiều ngang chuyển gen (một quá trình gọi là piggybacking). Các loài Rickettsiales hai có bộ gen đặc biệt là lớn nhất bắt nội bào vi khuẩn, nhưng có vẻ như có khả năng rằng cơn giận dữ đã được quan trọng trong sự tiến triển của nhánh này toàn bộ.

Kết quả (Việt) 2:

Yếu tố tích hợp và conjugative là những yếu tố di truyền di động của vi khuẩn chủ yếu cư trú ở nhiễm sắc thể của tế bào chủ, nhưng vẫn có khả năng được chuyển giao giữa các tế bào bằng cách chia động từ. ICES có thể được coi là yếu tố mosaic, kết hợp các tính năng từ các yếu tố di động khác: khả năng tích hợp của vi khuẩn hoặc transposon, và các cơ chế chuyển plasmid conjugative. Khảm này được phản ánh trong các cấu trúc mô-đun: gen mã hóa các chức năng cốt lõi của hội nhập / cắt bỏ, chia động và các quy định này thường được tìm thấy nhóm cùng nhau. Cũng như các chức năng cốt lõi, ICES thường mang gen phụ mà có thể ban cho các kiểu hình thích ứng trên máy chủ của họ. Cassette gen mã hóa kháng kháng sinh, cố định đạm, các yếu tố độc lực và chức năng khác nhau đều được ghi trong ICES. Do đó, họ là các vectơ quan trọng đối với việc phổ biến ngang của thông tin di truyền, tạo điều kiện cho sự phát triển của vi khuẩn nhanh chóng. nhiễm sắc thể hội nhập và việc cắt bỏ ICES qua trung gian integrase (Int) enzyme. Thông thường nhất là integrases recombinases tyrosine có liên quan đến nghiên cứu cũng phage λ Int. Họ hòa giải sự kiện tái tổ hợp trang web cụ thể giữa các trình tự giống nhau hoặc gần giống nhau trong các máy chủ và ICE bộ gen (gọi attB và attP tương ứng). Những sự kiện này tích hợp thường xảy ra vào các gen tRNA. Không có lý do cho sự kết hợp này dứt khoát của tyrosine recombinase trung gian hội nhập với các gen tRNA được biết đến, tuy nhiên gen tRNA tiến hóa chậm hơn so với các gen mã hóa protein, có khả năng mở rộng phạm vi chủ thể. ICES khác mã hóa transposase gia đình tyrosine Ints recombinase có sở thích chuỗi mục tiêu rộng lớn hơn. Các thành viên của transposase và serine recombinase gia đình DDE cũng phục vụ như là integrases trong một số ICES. Trước khi chuyển ICE xảy ra, nguyên tố này được cắt ra và circularised. Cắt bỏ ICES cũng đòi hỏi hoạt động Int, tuy nhiên quá trình này thiên về cắt bỏ do 'tái tổ hợp các yếu tố hướng từ' (RDF). Nếu sao chép nhiễm sắc thể hoặc di động; chia xảy ra trong khi ICE ở trạng thái nhiễm sắc thể cắt bỏ, các yếu tố có thể bị mất từ các tế bào. Để ngăn chặn ICES này (như plasmid) thường mã hóa các mô-đun nghiện (hệ thống độc tố kháng độc tố) tiêu diệt tế bào không kế thừa các ICE. chuyển conjugative xảy ra thông qua việc thành lập một bộ máy multiprotein nối các tế bào hiến và người nhận: một hệ thống bài tiết loại IV ( T4SS). Điều này bao gồm một màng trải dài kênh tiết và thường là một tiêm mao bào. Các DNA ICE extrachromosomal là lần đầu tiên bị cắt nguồn gốc của truyền (oriT) bởi một relaxase (MOB) enzyme. Nhân rộng vòng tròn lăn được sau đó bắt đầu. MOB vẫn còn ràng buộc với DNA sợi đơn di dời và phức tạp nucleoprotein này được nhắm mục tiêu đến T4SS bởi một protein khớp nối (T4CP). Thay vì sử dụng một T4SS, một số ICES được chuyển giao giữa các tế bào sử dụng FtsK giống như máy bơm translocase DNA (trong trường hợp này dsDNA được chuyển giao). Sau khi chuyển nhượng, ICE ssDNA được nhân rộng thành dsDNA và tích hợp vào nhiễm sắc thể trong tế bào của người nhận. ICE trong tế bào của nhà tài trợ cũng được chuyển đổi thành dsDNA và tái tích hợp vào hệ gen. truyền ICE là dưới sự kiểm soát của các mạng lưới đáp ứng với các kích thích môi trường. Ví dụ, chuyển giao của gia đình SXT-R391 của ICES được điều khiển bởi SelR, một tương đồng của CI λ ức. Quy chế xảy ra do một cơ chế tương tự như việc kiểm soát chuyển đổi λ từ lysogeny ly giải. Như với CI, áp SetR có thể được thuyên giảm do tác động của RecA, các effector chính của phản ứng 'SOS' để gây thiệt hại DNA. ICES khác truyền đã được chứng minh là dưới sự kiểm soát của các mạng cảm biến đại biểu. Một nghiên cứu tin sinh học gần đây về tỷ lệ ICE và đa dạng xác định ICES bằng cách tìm cụm module bộ máy conjugative (Guglielmini et al). Nếu chúng được tìm thấy trên các vị trí nhiễm sắc thể họ đã được xác định là thuộc về ICES, trong khi các yếu tố phụ trên nhiễm sắc thể được coi là plasmid conjugative. Không có tài liệu tham khảo đã được thực hiện với sự hiện diện của integrases. Trong định nghĩa này ICES phổ biến hơn so với plasmid conjugative: 18% bộ gen prokaryote trình tự có ít nhất một ICE như trái ngược với 12% sở hữu plasmid conjugative. ICES thường được định nghĩa là không có khả năng tự chủ của nhân rộng thêm nhiễm sắc thể và bảo trì. Điều này là trái ngược với plasmid conjugative bao gồm nguồn gốc nhân bản và hệ thống. Tuy nhiên, định nghĩa này không được kín nước, như có vẻ là trường hợp ngoại lệ khác nhau. Tương tự như vậy, các plasmid conjugative có thể được tích hợp chromosomally, hoặc bằng cách tái tổ hợp tương đồng ở trình tự lặp lại, hoặc do sự kiện tái tổ hợp trang web cụ thể. Do đó những yếu tố này tồn tại trên một quang phổ. Phân tích phát sinh loài của gen VirB4 (một thành phần ATPase của T4SS) cho thấy ICES và plasmid conjugative không tách nhánh là đơn ngành. Thay vào đó họ được xen kẽ trong suốt cây, cho thấy plasmid conjugative thường trở thành ICES và ngược lại. Guglielmini et al. Vì vậy coi chúng như hai mặt của một đồng xu. Nếu áp lực chọn lọc đủ mạnh mặc dù, ICES thể được ổn định như các cấu trúc nhiễm sắc thể trong thời gian dài của thời gian. Một ví dụ nổi bật những tiềm năng và tầm quan trọng của tiến hóa ICES được tìm thấy trong bộ gen của các tế bào vi khuẩn Rickettsiales gia đình bắt buộc. Một phần ba của bộ gen của Orientia tsutsugamushi (mite chịu tác nhân gây chà sốt phát ban) được tạo thành bản sao thoái hóa của một ICE tên RAGE (Rickettsiales khuếch đại các yếu tố di truyền). Nhiều cuộc xâm lược của RAGE cũng đã cấu hình các bộ gen của vi khuẩn cộng sinh một Rickettsial của ve con nai (Reis). Trong trường hợp này Rage đã hành động như các điểm nóng tái tổ hợp và việc đưa các yếu tố di động khác, dẫn đến sự chèn cụm từ tiểu thuyết gen theo chiều ngang chuyển (một quá trình gọi là cõng). Hai loài Rickettsiales có bộ gen lớn nhất là vi khuẩn nội bào bắt buộc, nhưng dường như RAGE đã được quan trọng trong sự phát triển của toàn bộ nhánh này.