Трансдукция у бактерий и вирусов

Трансформация – изменение наследственности бактериальной клетки путем проникновения в нее ДНК, происходящей из другой клетки или штамма с др. наследственными задатками.

В процессе трансформации участвуют 2 бактериальные клетки: донор и реципиент причем они не соприкасаются друг с другом.

Механизм переноса генетического материала заключается в том, что из клеток донора выделяются в окружающую среду ДНК.

Явление трансформации было открыто в 1928 Гриффитсом. Получив у пневмококков, вызывающих заболевание мышей воспаление легких два штамма – один капсульный вирулентный (ядовитый) гладкий S – формы образует массивную полисахаридную капсулу, придает колонии пневмококков блестящий вид. Капсула защищает бактерию от разрушающего действия обычных защитных механизмов тканей инфицированного животного. Второй – бескапсульный, авирулентный (не ядовитый). R- формы такой капсулы не образует. Он вводил мышам:

Если штамм был вирулентным – мыши заболевали и погибали;

Если он был авирулентным R – оставались здоровыми.

При введении мышам убитого нагреванием вирулентного штамма они заболевали, когда тем же мышам был введен вслед за ним второй – авирулентный штамм, у них развивалось воспаление легких и они погибали.

Штамм, выделенный из погибших мышей оказался вирулентным, но бескапсульным.

Таким образом, в организме мышей произошла передача вирулентности от одного штамма бактерий другому. Это явление было названо трансформацией.

В 1944 году Эйвери с сотрудниками повторил эксперимент Гриффитса. Трансформация происходит не часто – примерно 1 на 1000 клеток, а межвидовая – еще реже (1 на 3-10 млн.клеток).

У вирусов трансформация является единственным путем обмена генетическим материалом между разными штаммами.

Трансдукция

В 1952 году публикуются работы Н.Д.Циндера и Дж.Ледерберга в которых описано явление трансдукции, также подтверждающие решающую роль ДНК в передаче наследственной информации. Они проводили исследования на патогенных для мышей бактериях Salmonellatyphimurium

Суть трансдукции состоит в том, что бактериофаги (паразиты бактерий) из одной бактериальной клетки в другую вместе со своей ДНК переносят отдельные гены. Трансдуцированные бактерии приобретают только те свойства, которые были у донора.

Опыт позволивший открыть этот новый генетический механизм и новый способ изучения наследственности заключается в следующем.

Были отобраны два штамма этих бактерий: штамм 22А ауксотрофный, не способный синтезировать триптофан (Т

), и штамм 2А, способный синтезировать триптофан (Г1"). Эти штаммы засевали в U-образную трубку, разделенную внизу бактериальным фильтром . В одно колено трубки засевали штамм 22А (Т

), в другое — штамм 2А (Т4"). После определенного периода инкубации бактерии штамма 22А при посеве на минимальную питательную среду дали небольшое количество колоний (частота появления трансдуцированных клеток была равна 1-10—*). Это свидетельствовало о том, что некоторые клетки приобрели способность синтезировать триптофан. Каким же образом бактерии могли приобрести это свойство?

Исследования показали, что штамм 22А был лизогенен по фагу Р-22. Этот фаг освобождался из лизоген-ной культуры, проходил через фильтр и лизировал штамм 2А. Присоединив часть генетического материала штамма 2А, фаг возвращался обратно и передавал этот генетический материал штамму 22А. Штамм 22А приобретал специфические наследственные свойства штамма 2А, в данном случае свойство синтезировать триптофан. Аналогичным образом могут быть трансдуцированы и другие признаки, в том числе способность к сбраживанию, устойчивость к антибиотикам и т. д. Существуют три типа трансдукции: неспецифическая (общая), специфическая и абортивная.

Общая (неспецифическая) трансдукция - перенос бактериофагом фрагмента любой части бактериальной хромосомы. В клетке, инфицированной бактериофагом, в ходе сборки дочерней популяции в головки некоторых фагов может проникнуть фрагмент бактериальной ДНК или плазмиды либо вместе с вирусной ДНК, либо вместо нее. Этот процесс происходит вследствие того, что бактериальная ДНК фрагментируется после фаговой инфекции и кусочек бактериальной ДНК того же размера, что и фаговая ДНК, проникает в вирусную частицу с частотой приблизительно 1 на 1000 фаговых частиц. При такой форме трансдукции в клетки-реципиенты могут быть внесены практически любые гены. Феномен неспецифической трансдукции может быть использован для картирования бактериальной хромосомы.

Специфическая трансдукция наблюдается в том случае, когда фаговая ДНК интегрирует в бактерию с образованием профага. При исключении ДНК фага из бактериальной хромосомы в результате случайного процесса захватывается прилегающий к месту включения фаговой ДНК фрагмент бактериальной хромосомы. Так как большинство умеренных фагов интегрируют в бактериальную ДНК в специфических участках, для таких бактериофагов характерен перенос в клетку-реципиент определенного участка бактериальной ДНК донора. Специфическая трансдукция может служить механизмом переноса вирулентных генов среди бактерий при условии, что эти гены локализованы в непосредственной близости от мест интеграции профага.Наиболее характерным примером служит трансдукция, осуществляемая фагом λ. Обычно он трансдуцирует определенные гены: gal (кодирует синтез галактозы) и bio (кодирует синтез биотина). При переходе в состояние профага фаг λ включается в определенный участок хромосомы бактерии-хозяина - между генами gal и bio . Отделение фаговой ДНК от бактериальной хромосомы может происходить неточно и какой-то фрагмент ее останется в хромосоме, а близко расположенные гены будут захвачены фаговой ДНК. В случае заражения трансдуцирующим фагом клеток, дефектных по определенному гену, например gal - , может произойти рекомбинация с заменой собственного дефектного гена бактерии интактным трансдуцированным геном с образованием рекомбинанта (трансдуктанта) gal + .

Абортивная трансдукция. При абортивной трансдукции внесенный фрагмент ДНК донора не встраивается в хромосому реципиента, а остается в цитоплазме и там самостоятельно функционирует. Впоследствии он передается одной из дочерних клеток (т.е. наследуется однолинейно) и затем теряется в потомстве.

|	следующая лекция ==>
Генетика микроорганизмов	|	Мутационная теория Де-Фриза

Дата добавления: 2018-11-25 ; просмотров: 873 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Трансдукция (от лат. transductio — перемещение) — процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома и конструирования штаммов. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.

Фаги способны к реализации двух путей развития в бактериальной клетке:

Литический — после попадания в бактерию ДНК фага сразу же начинается его репликация, синтез белков и сборка готовых фаговых частиц, после чего происходит лизис клетки. Фаги, развивающиеся только по такому сценарию, называют вирулентными.

Лизогенный — попавшая в бактериальную клетку ДНК фага встраивается в её хромосому или существует в ней как плазмида, реплицируясь при каждом делении клетки. Такое состояние бактериофага носит название профаг. Система его репликации в этом случае подавлена синтезируемыми им самим репрессорами. При снижении концентрации репрессора профаг индуцируется и переходит к литическому пути развития. Реализующие подобную стратегию бактериофаги называются умеренными. Для некоторых из них стадия профага является обязательной, другие в некоторых случаях способные сразу развиваться по литическому пути.

Перенос фрагментов ДНК бактерии

Общая (неспецифическая) трансдукция

Осуществляется фагом P1, существующим в бактериальной клетке в виде плазмиды, фагами P22 и Mu, встраивающимися в любой участок бактериальной хромосомы. После индуцирования профага с вероятностью в 10−5 на одну клетку возможна ошибочная упаковка фрагмента ДНК бактерии в капсид фага, ДНК самого фага в нём в этом случае нет. Длина этого фрагмента равна длине нормальной фаговой ДНК, его происхождение может быть любым: случайный участок хромосомы, плазмида, другие умеренные фаги.

Попадая в другую бактериальную клетку, фрагмент ДНК может включаться в её геном, обычно путём гомологичной рекомбинации. Перенесённые фагом плазмиды способны замыкаться в кольцо и реплицироваться уже в новой клетке. В ряде случае фрагмент ДНК не встраивается в хромосому реципиента, не реплицируется, но сохраняется в клетке и транскрибируется. Это явление носит название абортивной трансдукции.

Наиболее хорошо изучена специфическая трансдукция на примере фага λ. Этот фаг встраивается только в один участок (att-сайт) хромосомы E. coli с определённой последовательностью нуклеотидов (гомологичной att-участку в ДНК фага). Во время индукции его исключение может пройти с ошибкой (вероятность 10−3—10−5 на клетку): вырезается фрагмент тех же размеров что и ДНК фага, но с началом не в том месте. При этом часть генов фага теряется, а часть генов E. coli захватывается им. Вероятность переноса гена в этом случае падает при увеличении расстояния от него до att-сайта.

Для каждого специфически встраивающегося в хромосому умеренного фага характерен свой att-сайт и, соответственно, расположенные рядом с ним гены, которые он способен передавать. Ряд фагов может встраиваться в любое место на хромосоме и переносить любые гены по механизму специфической трансдукции. Кроме того, в хромосоме обычно есть последовательности, частично гомологичные att-участку ДНК фага. При повреждении полностью гомологичного att-сайта можно добиться включения фага в хромосому по этим последовательностям и передачу в ходе специфической трансдукции генов, соседних уже с ними.

Эстер Ледерберг была первой учёной, кому удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K-12 в 1950 году.

Собственно открытие трансдукции связано с именем американского учёного Джошуа Ледерберга. В 1952 году он совместно с Нортоном Циндером обнаружил общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 — специфической.

изменение св-в, наступающее в результате инфекции бактерий умеренным фагом, причем гены, кодирующие новое св-во, находятся в геноме фага, а не бактерии. напр., инфекция коринебактерии дифтерии фагом приводит к синтезу транспортного полипептида дифтерийного токсина и превращению ее атоксигенного варианта в токсигенный.

Фаг λ (фаг лямбда) — умеренный бактериофаг, который заражает Escherichia coli. Был обнаружен Эстер Ледерберг в 1951 г.

Как только фаг попадает внутрь клетки хозяина, он может интегрировать себя в его ДНК. В этом состоянии λ называют профагом, он остается в геноме хозяина, внешне не проявляя своё присутствие. Профаг размножается с каждым делением клетки хозяина.

ДНК профага может экспрессироваться в тех случаях, когда наблюдаются признаки стресса в клетке-хозяине. Стресс может быть вызван голоданием, ядами (например антибиотикам), или другим факторами, которые могут повредить или уничтожить хозяина. В этом случае профаг активируется, выделяет себя из ДНК клетки-хозяина и вводит ее в литический цикл. Активированный фаг уничтожает ДНК хозяина и производит большое количества собственной мРНК, чтобы произвести множество единиц фага. Когда все ресурсы хозяина исчерпаны от построения новых фагов, клетка-хозяин разрушается, клеточная мембрана разрывается, и новые фаги выходят во внешнюю среду.

Интеграция фага λ происходит на специальном сайте в бактериальном геноме, названном attλ. Последовательность att сайта называют attB (состоит из компонентов B-O-B'), тогда как комплементарную последовательность в кольцевом геноме фага называют attP (состоит из компонентов P-O-P'). Сама интеграция — последовательный обмен (см. генетическая рекомбинация) происходит через образование структуры Холлидея и требует фагового белка Int и бактериального белка IHF (англ. integration host factor). И Int и IHF связываются с attP и формируют интрасому: ДНК-белковый комплекс, предназначенный для сайт-специфической рекомбинации ДНК фага и хозяина. Оригинальная BOB' последовательность заменяется интеграцией на B-O-P'-фаг ДНК-P-O-B'. ДНК фага теперь — часть генома хозяина.

Фармацевтика, медицина, биология

Трансдукция (генетика)

Трансдукция (от лат. Transductio — перемещение) — форма горизонтального переноса генов, при которой передача генетического материала от одной клетки к другой происходит с помощью вируса (бактериофага в случае бактерий), что, как и в случае других форм горизнотального переноса генов, приводит к изменения наследственных свойств. Вирус, переносит клеточную ДНК или РНК, называется трансдукцийною частицей. Различают два вида трансдукции: общую (генерализованную), при которой может переноситься любой участок генома клетки, специализированная, во время которой всегда переносится один и тот же набор генов. Явление трансдукции было открыто американскими учеными Джошуа Ледерберг и Нортоном Циндером в 1952 году, во время изучения бактерии Salmonella typhimurium и ее паразита фага P22. Явление общей трансдукции используют для картирования геномов бактерий, а также в генной инженерии.

История исследования

В 1952 году Циндер и Ледерберг наблюдали явление генетического обмена между двумя ауксотрофнимы штаммами S.typhimurium, в результате которого создавались прототрофни бактерии. Они показали, что перенос генов происходит без физического контакта между клетками, необходимого для конъюгации, и его прохождению не препятствует добавления ДНКазы к среде, а следовательно этот процесс отличается от трансформации. Агент, ответственный за генетический обмен был способен проходить через бактериальные фильтры, и впоследствии было выяснено, что им является умеренный бактериофаг P22. Это открытие стало возможным из-за счастливый случай: один из штаммов, который использовали Ледерберг и Циндер, был лизогенизований бактериофагом P22. На определенной стадии эксперимента в какой-либо из клеток состоялась индукция профага, после чего сформированные вирусные частицы заразили другой ауксотрофний штамм и перенесли в него гены дикого типа от своего предыдущего живителя.

Общая трансдукция

Общая трансдукция характеризуется тем, что переноситься может любой фрагмент бактериальной хромосомы. Этот процесс требует успешного прохождения двух этапов: образование вирусной частицы, содержит ДНК реципиента, и стабильное введение этой ДНК в клетку донора, последнее чаще всего обеспечивается сайт-специфической рекомбинацией с бактериальной хромосомой.

Упаковка ДНК в вирусные головки начинается с специфической последовательности pac, здесь фермент, кодируемый вирусным геном, делает первый надрез, который определяет начало упаковки. Длина ДНК, будет упакована, определяется размером головки (отсюда и название механизма), когда последняя наполняется, фермент делает второй надрез. Этот надрез определяет не только окончание формирования первой головки, но и начало формирования второй. То есть ДНК, упаковывается во второй вирион уже не начинается с pac-сайта и ее начало не является специфичным. Третий надрез делается, когда полностью упаковывается второй головка, после чего начинается формирование четвертого вириона. Так что во время упаковки ДНК фага P22 специфическая последовательность необходима только для инициации процесса, далее он происходит независимо от каких-то специфических участков генома. Длина ДНК, упаковывается определяется только размером вирусной головки, и у фага P22 несколько больше чем общая длина генома, из-за чего и возникает конечная избыточность, а поскольку надрезы каждый раз делаются в другой области, то и повторяются в каждой образованной молекуле ДНК различные фрагменты.

Во время инфекции фагом P22 бактериальная хромосома НЕ деградуеться, а значит он также может выступать субстратом для упаковки в вирусные частицы. В геноме S.typhimurium действительно есть 10-15 участков, подобных pac-сайта фага P22, и в них может инициироваться процесс упаковки. Таким образом образовываться вирусные частицы, которые будут нести гены бактерии. Однако трансдукцийни частицы формируются значительно реже чем обычные вирионы, вероятно, из-за того, что хромосомные участки, с которых начинается упаковки бактериальной ДНК, полностью не идентичны pac-сайта вируса. Начиная с каждой из таких последовательностей в головки может запаковуватись 10-15% генома бактерии, однако, чем дальше ген находится от pac-сайта, тем меньше вероятность его попадания в трансдукцийну частицу. Из-за этого некоторые гены S.typhimurium переносятся фагом P22 в тысячу раз реже, чем другие.

Механизм общей трансдукции, выяснен в ходе исследования фага P22, оказался справедливым и для многих других бактериофагов. Например, перенос генетической информации фагом P1 E.coli происходит по такой же общей схеме, которые и в случае P22, однако имеет определенные отличия: во-первых Фаговая головка P1 примерно вдвое больше головку P22, а следовательно вдвое больше и длина ДНК, упаковывается, во-вторых хромосома кишечной палочки содержит значительно больше сайтов инициации упаковки (pac) чем хромосома S.typhimurium. Поэтому колебания частоты трансдукции различных генов значительно меньше в случае фага P1, по сравнению с P22.

К общей трансдукции способны далеко не все бактериофаги, например, вирулентный фаг T4 E.coli вызывает деградацию бактериальной ДНК, а значит в головки может упаковываться только его собственная. ДНК этого вируса содержит модифицированный нуклеотид — гликозилированный гидроксиметилцитозин. Бактериальная хромосома разрушается фагов нуклеазы, что действует только на ДНК с немодифицированным цитозином, в то время как вирусная ДНК остается неповрежденной. В 1979 году был получен мутант фага T4 с дефектной системой дегарадации хромосомы живителя, этот штамм способен эффективно осуществлять общую трансдукции.

Трансдукцийни частицы, как и обычные бактериофаги, способны успешно вводить ДНК в бактериальные клетки, при этом инфекция не развивается, поскольку гены ответственные за репликацию вируса отсутствуют. ДНК донора в клетке реципиента может либо встраиваться в хромосому, или оставаться в цитоплазме. В последнем случае, если данный фрагмент ДНК не способен к репликации, он будет со временем утрачен (абортивная трансдукция), если же он может реплицироваться автономно, то передаваться в последующие поколения как Внехромосомная носитель наследственности.

Встраивание донорной ДНК в ДНК реципиента происходит путем гомологичной рекомбинации. По крайней мере в случае фагов P22 и P1 происходит Двухниточный замена фрагмента бактериальной хромосомы на введенную вирусом ДНК, для этого необходимо прохождение двух кроссинговере, по одному на каждом из концов участка, встраиваемый. Если эти кроссинговере проходить посередине интродуцированного фрагмента ДНК, то включаться в хромосому соответствующая лишь его часть. Из всей ДНК, переносится в клетку-реципиент при трансдукции в конечном итоге примерно лишь 5% оказывается в ее хромосоме.

Общую трансдукции широко используют для построения генетических карт, то есть для установления последовательности расположения генов, а также расстояния между ними. Для этого используют котрансдукцию двух или чаще трех факторов. Обычно таким методом исследуют гены, расположенные слишком близко, чтобы их последовательность можно было установить методом прерванной конъюгации.

Класс	Количество
A + B + C +	50
A + B + C —	75
A + B — C —	3 часа
A + B — C	1

Например, если нужно картировать трех близких гены A, B и C в качестве донора использоваться прототроф A + B + C + на культуре которого выращиваться бактериофаги, часть из которых образует трансдукцийни частицы. Полученными фагами заражать ауксотрофний штамм A — B — C — при этом образуется семь классов бактерий, в которых состоялась трансдукция, и один, самый, в котором не произошло, последнего следует избавиться для дальнейших исследований. Самый простой метод — это отобрать клетки, в которых ген дикого типа заменил хотя бы один из локусов, например, пусть это будет ген A. Культуру бактерий выращивать на минимальной среде, с приложенными факторами, необходимыми для ауксотрофы B — и C — таким образом можно отобрать четыре класса трансдуктантом A + B — C -, A + B + C -, A + B — C, A B + C +, еще три будут потеряны. После этого реплики полученных культур переносят на полноценную среду без фактора, необходимого для B — и на полноценную среду без фактора для C — таким образом можно определить, состоялась трансдукция в каждом из этих двух локусов. Теперь можно рассчитать частоту каждого из четырех классов, данные для примера приведены в таблице справа. Из полученных результатов можно сделать вывод, что ген B находится между генами A и С, поскольку редким всегда есть тот, класс, у которого в хромосому встроились два крайних гены, но не средний, потому, что в таком случае должно было состояться не два , а четыре кроссинговера. Однако, результаты, полученные таким методом будут хоть и информативными но неполными, из-за потери трех классов трансдуктантом.

Настоящая зависимость чатсоты котрансдукции от расстояния между генами является нелинейной, поскольку на нее влияют два разных фактора: во-первых, чем ближе расположены два гена, тем реже кроссинговер, необходимый для встраивания ДНК донора в ДНК реципиента, будет проходить между ними, во-вторых, расстояние также влиять и на вероятность упаковывание этих генов в одну фагов головку.

Кроме картирование генов общая трансдукция также может использоваться для комплементацийного анализа, перенос плазмид и транспозонов, конструюювання новых штаммов микроорганизмов.

Специализированная трансдукция

Специализированная трансдукция отличается от общей несколькими чертами: во-первых, во время этого процесса участок ДНК донора в трансдукцийний частице ковалентно присоединена к вирусной ДНК, во-вторых переносятся не любые гены, а только определенная специфическая участок бактериальной хромосомы. Специализированная трансдукция используются как мощный инструмент для манипуляции генами: молекулярного клонирования, картирование отдельных генов и мутаций в них, направленного мутагенеза, комплементацийного анализа и тому подобное.

Когда фаг, несущий участок хромосомы донора, заражает клетку реципиента стабильная трансдукция может происходить несколькими путями. Фаг может лизогенизуваты клетку, если у него сохранился сайт attB и ген int, то встраивания происходит аналогично как и в дикого типа. Однако, как правило именно эти участки и теряются в процессе формирования трансдукцийнои частицы, поэтому встраивания происходит иначе, чаще всего путем рекомбинации между участком ДНК донора, принесенной фагом, и гомологической участком в хромосоме живителя. При некоторых условиях геном трансдукцийного вируса может сохраняться в цитоплазме клетки как плазмиды.

Абортивная трансдукция

Абортивная трансдукция — трансдукция, при которой участок хромосомы бактерии, попадает в другую бактериальную клетку, не удваивается при ее последующих делениях, а передается только одной дочерней клетке.

Наиболее полно изучена структура бактериального генома, в особенности генома E. coli. Основной объем генетической информации бактериальной клетки заключен в ее единственной хромосоме. Размер генома у разных бактерий колеблется от нескольких сотен тысяч пар нуклеотидов (п.н.) до нескольких миллионов п.н. У E. coli он равен 4,6 млн. п.н., а его кодирующая часть составляет 88,6%.

В состав бактериальных геномов входят независимые гены и опероны. Работа независимых генов не регулируется другими генами, а их экспрессия носит конститутивный (непрерывный) характер. От соседних генов независимые гены отделены некодирующими участками (спейсерами), которые обычно не транскрибируются. В отличие от независимых генов оперон — это группа рядом расположенных структурных генов, имеющих общую систему регуляции. Обычно эти гены участвуют в осуществлении последовательных этапов какого-либо биохимического процесса. Впервые модель оперона была разработана в 1960 г. французскими биохимиками Ф. Жакобом и Ж. Моно на примере процесса сбраживания лактозы. В систему лактозного оперона входят три структурных гена (Z, Y, A), кодирующие три фермента, участвующие в процессе сбраживания молочного сахара (см. схему). Основным ферментом является β-галактозидаза.

К системе регуляции оперона относятся промотор, оператор и ген-регулятор. Промотор расположен перед оператором и является участком, который узнается ферментом РНК-полимеразой, осуществляющим транскрипцию структурных генов. Одна из субъединиц фермента (δ-частица) узнает промотор по специфической последовательности нуклеотидов (блок Прибнова), благодаря чему РНК-полимераза связывается с матрицей.

Схема действия лактозного оперона

Фермент начинает транскрипцию, если расположенный рядом с промотором оператор не связан с белком-репрессором, вырабатываемым под контролем гена-регулятора. Отсутствие этой связи обусловлено наличием в клетке субстрата — лактозы, с которой соединяется репрессор. Как только уровень лактозы в клетке падает, регуляторный белок освобождается и садится на оператор, препятствуя тем самым транскрипции структурных генов. Такой тип регуляции носит название негативной индукции, т.к. отсутствие репрессора запускает работу оперона. У прокариот установлены и другие механизмы оперонной регуляции. Например, при синтезе триптофана она может осуществляться по типу репрессии, при котором сам конечный продукт (триптофан) является корепрессором и в комплексе с белком-регулятором, связываясь с оператором, препятствует транскрипции.

Объем генома прокариот может увеличиваться, с одной стороны, за счет копирования имеющихся генов, а с другой — за счет включения в геном чужеродной генетической информации. Путями переноса информации у прокариот являются процессы трансформации, конъюгации, трансдукции и транспозиции.

Схема процесса трансформации у бактерий

Под трансформацией понимают включение в геном фрагментов чужеродной ДНК, в результате чего клетка приобретает новый признак. Естественную трансформацию наблюдали в смешанных посевах двух штаммов, несущих разные биохимические мутации. О трансформации судили по появлению клеток дикого типа, что возможно только при объединении обеих мутаций в одном геноме и их комплементации. Искусственная трансформация достигается обработкой клеток препаратом ДНК. В обоих случаях клетка, способная воспринимать чужеродную ДНК, находится в особом физиологическом состоянии, которое называется компетенцией. Оно характеризуется увеличением проницаемости клеточной мембраны и активацией ферментативной системы, которая осуществляет перенос фрагмента ДНК через мембрану, разделение его на одиночные цепи и встраивание одиночной цепочки в состав бактериальной хромосомы.

Другим каналом для передачи информации у прокариот является процесс конъюгации. Во время конъюгации между двумя бактериальными клетками возникает контакт с образованием цитоплазматического мостика, по которому из одной клетки в другую поступает ДНК.

Образование конъюгационного мостика

Основная роль в этом процессе принадлежит половому фактору бактерий — F-плазмиде, внехромосомному носителю информации. Клетки, несущие эту плазмиду (F + ), в процессе конъюгации играют роль доноров, а не имеющие ее (F — ) — реципиентов. Переход плазмиды из клетки-донора в клетку-реципиент инициирует процесс обмена между ними генетической информацией, т.к. вслед за F-фактором может переноситься бактериальная хромосома.

Процесс конъюгации у бактерий гомологичен половому процессу у высших организмов, но отличается от него рядом специфических особенностей. Главная из них состоит в неполной передаче наследственного материала (хромосомы) от донора к реципиенту, благодаря чему образуется частичная зигота — мерозигота, по терминологии Ф. Жакоба и Е. Вольмана. Отсюда весь процесс был назван меромиксисом.

В переносе информации от одной бактериальной клетки к другой принимают также участие некоторые бактериальные вирусы — бактериофаги. Это явление получило название трансдукции. Оно было открыто в 1952 г. Дж. Ледербергом и Н. Циндером. Для вирусов, способных переносить информацию, характерен специфический путь развития. Проникнув в клетку, они встраиваются в бактериальную хромосому и могут длительное время находиться в ее составе, уподобляясь ее фрагменту. Это состояние является неактивным, т.к. вирусная ДНК не транскрибируется, и, следовательно, не синтезируются вирусные белки и не образуются новые вирусные частицы.

Схема процесса конъюгации у бактерий

Передача генетического материала в результате конъюгации у E. coli:
а — передача F-фактора от донора к реципиенту в скрещивании F + xF – ; б — образование линии Hfr в результате интеграции F + — фактора и передачи бактериальных генов от донорных к реципиентным клеткам в ходе скрещивания F + x Hfr.

Такой путь развития называется лизогенным, а интегрированный вирус — провирусом. Бактериальная клетка, несмотря на присутствие в ней вируса, не подвергается лизису. Однако через какое-то время вирус может активизироваться и выходить из состава хромосомы, “прихватывая” близлежащий фрагмент ДНК бактерии. Следом начинается процесс репликации вирусной ДНК и вместе с нею фрагмента хромосомы. Затем синтезируются вирусные белки и идет сборка новых вирусных частиц, в геном которых включается фрагмент бактериальной ДНК. При этом аналогичный объем собственной информации вирус утрачивает. Клетка в итоге погибает, а освободившиеся из нее вирусные частицы заражают другие клетки, внося в них фрагмент ДНК первого хозяина.

Схема процесса трансдукции у E. coli

И, наконец, перенос информации в пределах одного генома осуществляется в ходе процесса транспозиции. Транспозиция — это перемещение участка хромосомы из одного места в геноме (локуса) в другой. У бактерий известно два типа транспозирующих элементов: IS-частицы и транспозоны. IS-частицы представляют собой короткие последовательности нуклеотидов, ограниченные концевыми повторами. Они несут информацию о своем перемещении, т.к. в них есть участок, кодирующий структуру фермента транспозазы, осуществляющего вырезание (эксцизию) и встраивание (инсерцию) частицы. Другой информации в IS-частицах нет. В отличие от них транспозоны содержат один или несколько структурных генов, а сложные транспозоны на обоих концах несут еще IS-частицы. Встраивание IS-частиц и транспозонов может вызывать мутации или инактивацию генов, что является одним из возможных путей реорганизации геномов.

Схема строения сложного транспозона

Центральный район, несущий ген или гены сопротивляемости к тетрациклину, фланкирован прямыми или инвертированными IS-элементами. В свою очередь, IS-элементы имеют собственные терминальные инвертированные повторы.

В состав бактериального генома входит также плазмидная ДНК. Плазмида — это экстрахромосомный носитель наследственной информации. Количество плазмид в клетке непостоянно. Плазмиды бывают мелкие и крупные, однокопийные и мультикопийные. Однокопийные плазмиды обычно встраиваются в бактериальную хромосому и реплицируются вместе с ней. Их называют эписомами. Мультикопийные плазмиды существуют автономно и реплицируются независимо от бактериальной хромосомы. Число копий их различно. Некоторые плазмиды (например, F-фактор) могут попеременно находиться либо в интегрированном, либо в автономном состоянии. Плазмидная ДНК определяет такие свойства бактериальной клетки, как устойчивость к антибиотикам (R-плазмиды), синтез колицинов — веществ, подавляющих рост других типов бактерий (Col-плазмиды) и др. Многие плазмиды обладают способностью к трансмиссии, т.е. к переходу из одной клетки в другую. Внутри плазмид могут находиться транспозоны.

Карты F-фактора и плазмиды R

В составе бактериального генома часто обнаруживается вирусная ДНК. Вирусные гены по структуре сходны с бактериальными, но у вирусов есть перекрывающиеся гены. Перекрывание генов происходит в том случае, когда одна и та же последовательность ДНК кодирует структуру двух или трех разных белков за счет изменения рамки считывания.

Перекрывающиеся гены были обнаружены Ф. Сенгером в 1977 г. у фага φХ174. Считается, что такая генетическая система является экономичной. Но одновременно мутация в этом локусе может привести к повреждению сразу нескольких генов.

Читайте также другие статьи темы 7 "Ген и геном":

Перейти к чтению других тем книги "Генетика и селекция. Теория. Задания. Ответы":