Трансформация 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: 872 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Генетические рекомбинации у бактерий – обмен генетическим материалом между двумя клетками, сопровождают половое размножение. К ним относятся трансформация, трансдукция, конъюгация.

Трансформация – непосредственная передача генетического материала (фрагмента ДНК) донора реципиентной клетке. Возможна только у ограниченного кол-ва клеток (бакт популяции). Клетка реципиента должна обладать способностью к развитию состояния компетентности (готовность вопринимать ДНК донора). Кл в состоянии компетентности изменяют свои свойства (другой размер, снижается синтез ДНК, РНК, продуцирует фактор компетентности (белок). Этот белок нужен для расщепления компонентов клеточной стенки (обнажение рецепторных участков, которые связывают ДНК донора). Состояние компетентности наблюдается только в опред фазу — в конце логарифмической фазы роста. Для того, чтобы происходила трансформация, донорская ДНК должна быть 2-цепочечная (устойчива к нуклеазам), опредленного мол веса (1х10^6 дальтон).

1. Адсорбция ДНК-донора на клетке-реципиента,

2. Проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента(ферментативное расщепление, образование различных фрагментов, кот проник в кл, в кл одна из цепей деградирует),

3. Соединение ДНК (одноцепочечный внутриклет медиатор) с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией.

После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется. Затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК донора в геном реципиента. Трансформация обычно внутри вида (есть гомология между донором и реципиентом)

Генетические рекомбинации у бактерий. Трансдукция. Виды. Фаговая конверсия.

Генетические рекомбинации у бактерий – обмен генетическим материалом между двумя клетками, сопровождают половое размножение. К ним относятся трансформация, трансдукция, конъюгация.

Трансдукция – передача генетического материала от одних бактерий другим с помощью УМЕРЕННЫХ фагов. В результате - 2 варианта инф процесса: продуктивный и редуктивный (лизогенный — б.фаг приходит в кл, интегрируется, становятся ПРОФАГОМ (часть генома) и вносят опред св-ва)

1. Неспецифическая трансдукция. В процесс репродукции фага в момент сборки фаговых частиц в их головку вместе с фаговой ДНК может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК бактерии-донора. При этом фаг может утратить часть своего генома и стать дефектным. Принесенный фагом фрагмента ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологическую область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Фрагменты бакт ДНК донора способны включаться в гомологичную область ДНК кл реципиента путем рекомбинации, но участок ДНК кл донора, кот перешл в кл реципиента останется не включенным-абортивная трансдукция. Передается при делении.

2. Специфическая трансдукция характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиента. Это связано с тем, что образование трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом. В составе ген материала умер бфага есть гены, кот отвечают за образование репрессора — обуславливает невозможность перехода профага в состояние вегетативного развития. Инактивация репрессора- вегетативный цикл развития (при этом геном фага встраивается в б хр) У бфага должны сохраниться липкие концы (одноцепочечн и комплементарные друг другу) для образования кольцевой ДНК (для встраивания генома)

3. Аботивная трансдукция. Принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки трансдуцированный фрагмент ДНК-донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, то есть наследоваться однолинейно и в конечном итоге утрачиваться в потомстве.

Фаговая конверсия – изменение фенотипа бактериальной клетки, обусловленное включением в ее хромосому генома умеренного фага.

Изучение бактерий открыло целый ряд явлений, осветивших с новой стороны источники наследственной изменчивости и механизмы наследственной передачи.

Одним из первых успехов в этой области было открытие явления трансформации у бактерий в 1928 г.

Известно несколько штаммов пневмококка Diplococcus pneumoniae: штамм S — с полисахаридной капсулой и гладкими колониями и штамм R — без капсулы и с шероховатыми колониями. Оба эти признака наследственны. Бактериолог Ф. Гриффитс инъецировал мышам вместе с убитым нагреванием штаммом пневмококка, обладающим капсулой (S), штамм живого пневмококка, лишенного капсулы (R). Спустя некоторое время ему удалось выделить из зараженных мышей живых пневмококков, обладающих капсулой. Таким образом, оказалось, что свойство убитого пневмококка — способность образовывать капсулу — перешло к живой бактерии. Поскольку признак наличия капсулы является наследственным, то следовало предположить, что какая-то часть наследственного вещества от бактерий штамма S перешла к клеткам штамма R. Но как это могло произойти, если клетки штамма S были убиты? Можно было предполагать, что в этом случае либо возникла мутация, либо произошла своеобразная гибридизация между живыми и мертвыми бактериями. Первое объяснение было наиболее вероятным, однако вопреки здравому смыслу второе объяснение оказалось ближе к истине.

В 1944 г. О. Эвери с сотрудниками удалось выяснить природу этого загадочного явления. Они взяли те же два штамма — R и S. Перед началом решающих опытов было изучено спонтанное мутирование обеих форм. Оказалось, что гладкая S-форма хотя и очень редко, но спонтанно мутирует в R-форму, а R-форма практически вовсе не мутирует в S-форму, т. е. мутации происходят почти исключительно в одном направлении: S→R. Но если R-форму помещали в экстракт из убитых клеток S-формы, то частота изменений R→S увеличивалась в 10 000 раз. Стало очевидным, что признак одного штамма (S) через какое-то вещество экстракта передавался другому штамму (R), т. е. возникало направленное наследственное изменение. Далее была произведена тщательная очистка — выделение этого вещества из экстракта клеток S-формы. Вещество было названо трансформирующим фактором (ТФ), а само явление — трансформацией.

Трансформирующий фактор по своей биохимической природе представлял собой не что иное, как дезоксирибонуклеиновую кислоту, входящую в состав хромосом. При этом было установлено, что он обладает некоторыми характерными свойствами. Его можно экстрагировать из клеток, очищать, воздействовать на него in vitro химическими и физическими факторами и затем снова вводить в живые клетки и изучать вызываемые им изменения.

Сначала к этим исследованиям отнеслись скептически. Но вскоре многие исследователи поняли, что открыто не только новое явление, но и один из новых методов исследования наследственности. В последующих генетических и биохимических исследованиях было показано, что явление трансформации широко распространено у бактерий. Оно твердо установлено у самых различных видов и родов бактерий: Diplococcus, Staphyloccocus, Hemophilus, Neisseria, Agrobacterium, Rhizobium, Bacillus, Xantomonas.

Схема опыта, демонстрирующего явление трансформации

Активность трансформирующего фактора оказалась чрезвычайно высокой. Так, у Hemophilus трансформация осуществляется в течение 15 мин при концентрации ДНК 0,00015γ (γ = 10 -6 г) в 1 мл среды. С помощью меченого фосфора (Р 32 ) было показано, что не вся ДНК донора включается в геном реципиента, а лишь фрагменты с молекулярным весом около 3·10 5 . В то же время под действием фермента дезоксирибонуклеазы (ДНК-азы), разрушающей ДНК, активность трансформирующего агента падает до нуля.

Трансформации могут подвергаться различные признаки. У пневмококков, например, трансформируется наличие капсулы, специфичность белков, размер и морфология колоний, устойчивость к антибиотикам (пенициллину и стрептомицину), способность к окислению определенных веществ и др.

Как правило, трансформируются отдельные свойства, но иногда одновременно несколько признаков в сцепленном состоянии. Р. Хочкис и Дж. Мармур при помощи ДНК, выделенной из штамма пневмококка, устойчивого к стрептомицину и способного сбраживать маннит, трансформировали оба эти свойства другому штамму пневмококка, не обладавшему ими. Одновременная передача обоих признаков от донора к реципиенту происходила в 50 раз чаще, чем это ожидалось, если бы трансформация по обоим признакам осуществлялась независимо. Дополнительная проверка показала, что действительно в рассматриваемом примере имеет место сцепленная передача обоих признаков.

Как правило, трансформация возможна между различными штаммами одного и того же вида, однако недавно была показана возможность межвидовой трансформации. В этом случае донором трансформирующего фактора были виды Hemophilus parainfluenzae или Н. aegypti, а реципиентом — Н. influenzae. Характерной особенностью межвидовой трансформации оказалась низкая частота ее осуществления в сравнении с внутривидовой.

При изучении действия мутагенов на ДНК, обладающую трансформирующей активностью, обнаружена различная чувствительность к мутагенам отдельных наследственных факторов этого трансформирующего фактора. Так, например, облучение ультрафиолетом значительно чаще инактивирует фактор, определяющий форму капсулы у пневмококков, чем фактор, обусловливающий устойчивость к стрептомицину.

Таким образом, трансформация обеспечивает генетическую рекомбинацию у бактерий. В этом может заключаться ее значение для эволюции бактериальных организмов. Обнаружение трансформации и изучение биохимической природы трансформирующего фактора явились вескими аргументами в пользу генетической роли ДНК как материального носителя наследственной информации.

После открытия явления трансформации у бактерий были сделаны попытки обнаружить это явление у высших животных. Получив экстракты ДНК из определенных тканей организма одного генотипа, их вводили другому в надежде на то, что специфическая ДНК донора вызовет в ДНК половых клеток реципиента направленное наследственное изменение. Хотя в этом плане было сделано несколько интересных попыток, убедительных фактов трансформации у высших организмов пока неизвестно. Впрочем, в принципе осуществление трансформации на соматических клетках животных и человека вполне возможно. Так, показано, что клетки в культуре тканей могут усваивать, включать меченую ДНК из среды. Возможно, метод культуры тканей откроет новые перспективы исследований в этой области.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

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":

Колешко О. И., Завезенова Т. В., Микробиология с основами вирусологии: Учебник, 1999

Бактерии подобно высшим организмам обладают способностью к обмену генетического материала, но существенно отличаются от последних способами передачи его от донорной клетки к реципиентной. Обмен генетического материала у бактерий имеет место при трансформации, конъюгации и трансдукции. Исторически у бактерий раньше других описано явление трансформации.
Трансформация (превращение, перестройка) - это изменение генома бактерии-реципиента под влиянием поглощенной из среды свободной ДНК, выделенной из бактерии-донора. Трансформацию может осуществлять только ДНК, включающаяся в геном реципиента. Ее источником могут быть свежеубитые бактерии или чистые препараты, экстрагированные из бактерий. Поэтому для

получения трансформантов реципиентные бактерии выращивают на средах, содержащих чистую ДНК или убитые клетки доноров.
Трансформация была открыта в 1928 г. английским ученым Ф. Гриффитсом. Он установил превращение бескапсульного пневмококка R-типа в капсульный вирулентный S-тип. Заражая мышей смешанной взвесью живых бескапсульных авирулентных пневмококков и убитых нагреванием капсульных вирулентных пневмококков, Ф. Гриффитс наблюдал гибель животных, из крови которых выделял наряду с бескапсульными и капсульные пневмококки. Автор пришел к заключению, что бескапсульные варианты приобрели способность образовывать капсулу под влиянием капсульных пневмококков, несмотря на то, что последние были мертвыми. Однако природу трансфер мир ующего вещества Ф. Гриффитс не установил. Он считал, что ответственными за образование капсулы являются полисахариды капсульных пневмококков S-типа.
Опыты Ф. Гриффитса по трансформации капсулы у пневмококков подтвердились исследователями. Так, в 1931 г. М. Даусон и Р. Сиа описали аналогичную трансформацию in vitro, выращивая клетки R-типа в бульоне, содержащем клетки пневмококков S-типа, убитые нагреванием. Позднее С. Алловий (1933) показал, что такие же превращения R-типа в S-тип можно получить, использовав бесклеточные экстракты капсульных пневмококков.
Хотя трансформацию бескапсульных пневмококков наблюдали многие исследователи, природа трансформирующего агента оставалась неизвестной. И только в 1944 г. О. Эвери с сотрудниками выделил трансформирующее вещество из капсульных убитых пневмококков и исследовал его свойства. Оно оказалось чувствительным к ДНК-азе. Применение высокоочищенного препарата ДНК-азы показал о, что он подавляет активность трансформирующего вещества. Это явилось неоспоримым фактом того, что трансформацию вызывает ДНК. Дополнительные доказательства были получены в опытах с использованием ДНК, максимально очищенной от примесей белка, полисахаридов и других клеточных компонентов. Эта ДНК проявила высокую активность: в разведении 1: 600 млн она способна была вызвать специфическую трансформацию.

Установление трансформирующей роли ДНК у щим аргументом в пользу того, что генетическая инс дится в ДНК, а не в белке, как предполагали.
Возможность передачи признаков посредством ной к реципиентной клетке была показана и на других видах бактерий и бацилл: Rhizobium, Neisseria, Вас. subtilis.
Трансформирующей активностью обладает лишь высокомолекулярная (М gt; 105) двухцепочечная ДНК, хотя в геном реципиента включается только одна цепь, а другая разрушается ДНК-а зой реципиентной клетки.
Бактериальные клетки различаются по способности к трансформации. Это зависит от их генетических способностей: от выделения ДНК-азы, образования капсулы, препятствующей проникновению ДНК, от состава среды, влияющей в свою очередь на физиологическое состояние клеток, и др.
Оптимальное физиологическое состояние клеток, в котором они способны к поглощению чужеродной ДНК, называется компетентностью. Компетентность обусловлена появлением на поверхности клетки особого антигена - фактора компетентности, который является низкомолекулярным белком и играет роль специфического ДНК-связывающего рецептора. Инициируют компетентность три белка: автолизин, ДНК-связывающий белок и эндонуклеаза I. В период развития компетентности происходят изменения структуры клеточной стенки, в результате чего стенка становится более пористой и проницаемой для ДНК.
Процесс трансформации разделяют на несколько стадий: 1) присоединение ДНК к поверхностным рецепторам реципиентной клетки; 2) проникновение ДНК в клетку; 3) превращение проникшей двухцепочечной ДНК в одноцепочечную; 4) рекомбинация проникшей ДНК с ДНК реципиента; 5) фенотипическое выражение поглощенного гена (или генов). На первой стадии трансформирующая двухцепочечная ДНК связывается с поверхностным рецептором компетентной клетки. В этот период она чувствительна к ДНК-азе. Затем, сразу после присоединения перед проникновением в клетку эндонуклеазы, находящиеся в периплазматическом пространстве клетки надрезают поочередно обе цепи ДНК с образованием более коротких фрагментов двухцепочечной ДНК (5 ' 106 - Г 107 п. н ).
Эти фрагменты подвергаются действию экзонуклеаз, которые разрушают одну цепь ДНК. В клетку проникает фрагмент одноцепочечной ДНК. Для проникновения используется энергия
трансмембранного потенциала
Далее следует рекомбинация одноцепочечного фрагмента с двухцепочечной ДНК реципиента и образование трансформантов (рекомбинантов). Так как при трансформации передается небольшой фрагмент ДНК донора, то образующиеся трансформанты обычно обладают одним новым признаком. Иногда могут трансформироваться и два признака. Это имеет место в тех случаях, когда поглощенный фрагмент ДНК содержит тесно сцепленные гены или клетка трансформирована двумя фрагментами ДНК-донор а. Частота трансформации более высока, если донором и реципиентом являются бактерии одного вида. Трансформация может иметь место и между бактериями разных видов, но с очень низкой частотой образования трансформантов. Так, частота трансформантов Haemophilus influensae, устойчивых к стрептомицину, при трансформировании бактерий ДНК, полученной из клеток этого же вида, составляет 1 ’ 10*, при трансформировании бактерий другого вида (Н. suis) выход рекомбинантов в 104 раз ниже.
Путем трансформации передаются разные свойства: образование капсул, устойчивость к антибиотикам, способность к синтезу аминокислот, витаминов и др.
По своей природе к трансформации близка трансфекция. Это перенос генетической информации фага компетентным клеткам бактерий посредством ДНК, выделенной из частиц фага. В таких клетках, инфицированных фаговой ДНК, происходит развитие нормальных, полноценных фагов. Трансфекцию удалось осуществлять не только с помощью ДНК фагов, но и ДНК вирусов животных.

1. Конъюгация

Конъюгация (спаривание) - передача генетического материала от донорной к реципиентной клетке при их непосредственном контакте. Конъюгация осуществляется только между клетками разного пола. Пол у бактерий определяется наличием или отсутствием полового фактора - F-фактора, который представляет собой кольцевую молекулу ДНК и относится к категории плазмид. Бактерии, которые содержат F-фактор, являются бактериями мужского типа и служат донорами генетического материала. Другие бактерии не имеют F-фактора - это бактерии женского типа. Они являются реципиентами генетического материала, передаваемого донорными штаммами.
Конъюгация прокариот является аналогом полового процесса эукариот.
Открытие конъюгации бактерий принадлежит Дж Ледербергу и Е. Татуму (1946). Они использовали два ауксотрофных мутанта Е. coli К-12, каждый из которых в отдельности не обладал способностью синтезировать две аминокислоты. Один был ауксотрофным по аминокислотам Л и Л, но синтезировал кислоты С и D (А

С+D+), другой мутант был комплементарен (А

B C D). На минимальной среде эти мутанты раздельно не росли. При высеве смеси их на ту среду появлялись колонии, клетки которых обладали способностью синтезировать все 4 аминокислоты, т. е. это были генетические рекомбинанты двух реципрокно дефектных (взаимодополняющих) родительских клеток. Однако в этом опыте не исключалась возможность появления рекомбинантного потомства под влиянием веществ, обладающих трансформирующей активностью.
Наиболее убедительные доказательства образования генетических рекомбинантов в результате конъюгации были получены Б. Дэвисом. В одно колено ?/-образной трубки, разделенной стеклянным пористым бактериальным фильтром, помещался один ауксотрофный штамм бактерий, в другое - другой. Наличие пористого фильтра исключало физический контакт бактерий, но не препятствовало диффузии трансформирующих веществ из одного колена в другое. Спустя некоторое время из содержимого каждого колена производился высев бактерий на минимальную среду, однако ни в одном из них прототрофов не было обнаружено, т. е. рекомбинанты не образовывались. Когда же оба родительских штамма засевали в одно и то же колено трубки, что позволяло клеткам вступать в прямой контакт, рекомбинанты появлялись.

достраивается и ковалентно замыкается в кольцевую структуру. Затем путем генетической рекомбинации она включается в хромосому реципиента, реплицируется и в результате деления клетки образуется рекомбинантное потомство. Анализ рекомбинантов показал, что клетка-донор передает реципиентной клетке лишь часть своего генома и только в редких случаях возможна передача его целиком. В связи с этим образуется мерозигота. Она содержит полный геном реципиента и лишь фрагмент генома донора.
Конъюгация - однонаправленный, или ассиметричный процесс, т. е. перенос генетического материала происходит в одном направлении - от донорной (мужской) клетки к реципиентной (женской).