Конспект лекций

энтеробактериями заболеваний. Это типирование осуществляется путем анализа типа плазмиды. Такой анализ получил название колициногенного типирования. В том числе типирование осуществляется путем определения типа колицина, образованного патогенными бактериями. Это колицинотипирование. В этом случае колицинотипирование проводят тех бактерий, которые выделяются от больного человека, а также колицинотипирование проводится для лиц, которые были в контакте с больным человеком. Оба этих метода участвуют в анализе бактериальных популяций, выделенных из объектов окружающей среды.

Плазмиды биодеградации

Эти плазмиды несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углерода и энергии. Плазмиды биодеградации могут играть важную роль в патологии патогенных бактерий, потому что они обеспечивают им селиктивное преимущество во время пребывания в организме человека или в окружающей среде. Урологические штаммы кишечных палочек содержат плазмиду гидролизации мочевины. Кроме того, плазмиды несут информацию об утилизации сахаров и образовании протеолитических ферментов. В частности, плазмиды биодеградации несут информации об утилизации сахарозы, лактозы, рафинозы и пр.

Транспозоны

Представляют собой нуклеотидные последовательности. Эти последовательности колеблются от 2000 до 20000 пар нуклеотидов. Эти нуклеотидные последовательности, именуемые транспозонами, несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции. При включении в бактериальную ДНК, транспозоны вызывают в ней дупликации. При перемещении в ДНК транспозоны влекут делеции и инверсии. Они могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой структуры. Правда, это свободная кольцевая молекула транспозона не способна к репликации. Значит, транспозоны реплицируются, находясь только в интегрированном состоянии в составе бактериальной хромосомы. При этом новые копии транспозонов могут мигрировать в новые плазмиды, а также новые копии транспозонов могут мигрировать в ДНКпрофагов. Таким образом, за счет того, что новые копии транспозонов проникают в некоторые плазмиды ДНК-фагов, информация проникает в новые бактериальные клетки и таким образом та информация, которая связана с данными транспозонами, распространяется в бактериальной популяции. Таким образом, важнейшим свойствам транспозонов является способностью перемещения с одного репликона (например, ДНК) на другой (например, на плазмиду). Кроме того, некоторые транспозоны выполняют регуляторную и кодирующую функции. В частности, транспозоны могут нести информацию для синтеза бактериальных токсинов. Кроме того, транспозоны могут нести информацию для ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики. Сегодня мы однозначно умеем отличать транспозоны друг от друга, потому что все транспозоны имеют особые концевые структуры, их известно несколько типов. Эти типы особых структур являются отличительными маркерными. Благодаря этим маркерам транспозоны всегда можно дифференцировать от других фрагментов ДНК. В свое время именно это наблюдение позволило установить, что транспозоны входят в состав не только бактерий, дрожжей, а также мы знаем, что транспозоны встречаем в клетках растений, насекомых, высших животных. При интеграции бактериальных транспозонов в хромосому клеток животных и человека, эти элементы клеток приобретают удивительное сходство с провирусами, входящими в состав хромосом.

11

IS-последовательности

IS – вставка и последовательность. На самом деле она представляет собой транспозируемые элементы. Они также называются вставки последовательностей оснований. ISпоследовательность – это фрагмент ДНК. В них содержится информация, необходимая только для их транспозиции, т.е. для перемещения их в различные участки ДНК.

IS могут выполнять три основные функции:

1)могут координировать взаимодействие транспозонов, плазмид и умеренных фагов, причем, эта координация распространяется не только на эти факторы внехромосомного наследования, а еще на их скоординированную работу с бактериальной хромосомой;

2)могут обеспечивать рекомбинацию всех этих элементов.

3)IS последовательности могут вызывать инактивацию гена, в котором произошла интеграция IS последовательности. В данном случае, под действием IS последовательности мы видим феномен «выключения гена». Либо, будучи встроенным в определенном положении в бактериальную хромосому IS может служить промотором, который выключает или включает транскрипцию соответствующих генов, тем самым IS последовательность выполняет регуляторную функцию. Промоторы – участки ДНК, которые регулируют экспрессию подлежащих структурных генов бактерий-реципиентов.

IS могут индуцировать мутации типа дилеции или инверсии. Они это реализуют при перемещении и дупликации в определенных парах нуклеотидов при включении в бактериальную хромосому. В отличие от плазмид и транспозонов, IS последовательности в свободном состоянии не обнаружены, следовательно, самостоятельно реплицироваться не могут.

Умеренные или дефектные фаги

Существует понятие умеренных или дефектных фагов. Они могут быть факторами изменчивости бактерий. Эти фаги по своим свойствам напоминают плазмиды бактерий. Так, например, встраиваясь в хромосому, эти умеренные или дефектные фаги вызывают лизогенизацию бактерий, в результате которой эти бактерии могут приобретать новые признаки. Изменчивость таких лизогенных бактерий связана либо с приобретением новых генов, которые переносятся умеренными или дефектными фагами от неких предыдущих для фагов хозяев, т.е. из клеток-доноров, либо изменчивость лизогенных бактерий может быть связана с началом экспрессии так называемых «молчащих» генов и тогда это осуществляется в клетках бактерийреципиентов. В этом случае, фаговая ДНК, встраиваясь вблизи поврежденного промотера этот промотер по сути заменяет и ведет к экспрессии. Под действием умеренных или дефектных фагов синтезируются определенные продукты бактерий, например, протоксины. В частности, под влиянием этих фагов синтезируются протоксины дифтерийных бактерий, пластридий.

12

Мутации и связанные с ними процессы

Мутации представляют собой изменение в первичной структуре ДНК, которые выражаются в наследственно закрепленной утрате или опять же в наследственно закрепленном изменении какого-либо признака. Мутации бывают самые разные.

По происхождению:

1)Спонтанные. Составляют естественный фон, величина которого колеблется в зависимости от типа мутаций и вида микробной популяции. Спонтанные мутации появляются не только в условиях in viva, но также и в условиях in vitro. Например, в результате ошибок в работе репарирующих ферментов, ошибок в ДНК-полимеразах. Происходят в результате ошибочного включения в синтезируемую дочернюю цепь вместо одного азотистого основания другого. Как правило, основания не комплементарного. Вместо аденина включается гуанин или цитозин.

Дополнительной причиной могут быть инсерционные мутации (вставка). Возникают при встраивании в хромосому IS-последовательностей, транспозонов и плазмид. При этом фенотип зависит от места интеграции. Если вблизи промотера, то нарушается функция регуляторного гена. Если вблизи структурного гена, то нарушается синтез закодированного продукта. Если у бактерий имеются еще и гены-мутаторы, то частота мутаций увеличивается в 100 и более раз.

2)Индуцированные. Получаются в эксперименте под влиянием каких-то мутагенов. К мутагенам относятся химические вещества или физические факторы, вызывающие предмутационные повреждения в отдельном фрагменте или в отдельных фрагментах ДНК, которые переходят в мутацию в результате ошибок в работе репарирующих ферментов или в процессе репарации, причем, по механизму действия на ДНК мутагены отличаются друг от друга,

втом числе по механизму действия на ДНК бактериальных клеток.

Действие одних мутагенов приводит к изменению первичной структуры ДНК, действие других мутагенов вызывает дезаминирование азотистых оснований. Ц превращается в У, А в гипоксантин, т.е. действие мутагенов, приводящих к изменению первичной структуры ДНК может быть обусловлено заменой пар оснований. В последующем заменившиеся соединения ведут себя неадекватно. Так, например, урацил спаривается с аденином, происходит замена пары ГЦ на АТ и т.д. С другой страны, есть мутагены, например, красители, которые непосредственно сами комплексируются с ДНК, вызывая выпадение или вставки оснований. Я хочу кушать. Третьи мутагены могут обладать множественным эффектом, вызывая высокую частоту мутаций. Супермутагены. К ним относятся нитрозо-соединения, например нитрозо-гуанин, нитрозомочевина и др.

Из физических факторов для индукции мутаций у микроорганизмов обосновано используют УФ, облучение приводит образование тиминовых димеров в ДНК, т.е. формируются весьма прочные связи между соседними тиминами одной и той же цепи. И образование таких димеров однозначно препятствует работе ДНК-полимеразы, тем самым нарушается процесс репликации ДНК. Кроме того, существуют мутагены, не обладающие специфическим действием. Это проявляется вызыванием изменения в любом гене, содержащемся в геноме микроба, т.е. специфичности нет. Кроме того, мутагеном, увеличивающем естественный фон в разных биотопах организма человека можно отнести некоторые продукты микробного метаболизма, например,

перекись. Кроме того, некоторые химиотерапевтические препараты. Производные фурана.

Антибиотики сами по себе мутагенами не являются, но при воздействии на метаболизм нуклеиновых кислот бактерий, некоторые антибиотики могут вызывать предмутационные повреждения. Я хочу кушать

Проявляются (?) по характеру изменений в первичной структуре ДНК, по фенотипическим

последствиям, и еще много всего.

13

Если мутация происходит вблизи промотерного участка, но нарушается функция регуляторного гена, если вблизи структурного гена, нарушается синтез того продукта, который этот ген кодирует. Для получения индуцированных мутаций используют различные мутагены.

По количеству мутировавших генов:

1)Генные. Затрагивают один ген и чаще всего они являются точковыми мутациями.

2)Хромосомные. Распространяются на несколько генов.

Точковые мутации представляют собой замену или вставку пары азотистых оснований ДНК. Эта замена или вставка влечет изменение одного кодона. Последствие – появление вместо одной аминокислоты другой, либо формируется бессмысленный кодон. В этом случае мы говорим о нонсенс-мутациях.

Мутации со вставками или выпадениями одной пары азотистых оснований ведут к изменению всех последующих кодонов, такие мутации называются мутациями со сдвигом считывания. Такие мутации затрагивают один ген.

У микроорганизма, несущего точковую мутацию в одном гене, в этом же гене может возникнуть вторичная мутация. В результате этой вторичной мутации может произойти восстановление дикого фенотипа. В этом случае, первичную мутацию, которая привела к возникновению мутантного фенотипа, называют прямой мутацией, а вторичную мутацию, которая обусловила возврат к исходному фенотипу, называют обратной мутацией. Такие события происходят, если прямое мутационное изменение состоит в простой замене пары оснований в первичном мутировавшем гене.

Например, если прямая мутация представляла собой замену пар АТ на ГЦ, то обратная мутация представляла собой замену ГЦ на АТ.

При истинной реверсии, восстанавливается не только фенотип, но и генотип. Блядь. В результате супрессии, т.е. в результате подавления мутантного фенотипа. Это подавление и может выразиться в исправлении мутационного изменения.

Например, если при первой мутации произошла вставка или выпадение какого-то нуклеотида, в другом участке может произойти мутация противоположного рода, поэтому в результате этих двух процессов в структуре одного гена восстанавливается правильное считывание информации. Такая супрессия называется внутригенной.

При внегенной супрессии вторичные мутации, подавляющие выражение первичного мутационного изменения, локализованы в так называемых генах-супрессорах, которые кодируют синтез тРНК. Мутации в этих случаях могут изменить к мутациям тРНК, а это приведет к тому, что в синтезируемый полипептид доставляется нужная аминокислота. При развитии такой ситуации опять же произойдет восстановление фенотипа, но не генотипа.

Хромосомные мутации, в отличие от генных, носят характер крупных перестроек в отдельных фрагментах ДНК, и они возникают в результате выпадения большего или меньшего по количеству числа нуклеотидов, и тогда, говоря о выпадении, мы характеризуем такую мутацию, как делеция. Хромосомные мутации возникают при повороте участка на 180 градусов – инверсии. Также возникают в результате повторения какого-либо фрагмента ДНК. Дупликация.

Один из механизмов связан с перемещением IS последовательностей и транспозонов из одного участка ДНК в другой, либо он может быть связан с перемещением этих структур из одного лепрекона в другой. Из хромосомы в плазмиду и наоборот. В результате возникает

14

мутация. Поскольку функция гена при включении транспозируемого элемента нарушается. При перемещении, внехромосомные факторы наследования могут вызывать также делеции и инверсии, тогда как при включении в новый участок ДНК они вызывают дупликации в нескольких парах нуклеотидов, протяженностью от 6 до 9 пар нуклеотидов.

По фенотипическим последствиям:

1)Нейтральные. Фенотипические, не проявляются какими-либо выраженными изменениями тех или иных признаков. Это говорит о том, что нейтральные мутации не отражаются на функциональной активности синтезируемого фермента.

2)Условно-летальные. Приводят к изменению, но не к утрате функциональной активности, называются условно-летальные. В зависимости от условий окружающей среды, микроорганизмы могут сохранять свою жизнеспособность, либо могут утрачивать жизнеспособность. Например, температуро-чувствительные мутанты бактерий сохраняют свою способность к синтезу ферментов, функционирующих при 37 градусах, но они утрачивают данный признак, даже если температура повышается до 42 градусов. Хотя, у тех же самых температурочувствительных бактерий существуют соответствующие ферменты, которые активны

ипри 37 и при 42 градусах Цельсия.

3)Летальные. Характеризуются полной утратой способности синтезировать какие-то определенные жизненно-важные для бактериальной клетки фермент или ферменты. Чаще всего, летальные мутации возникают при обширных делециях, которые захватывают группу генов, либо возникают при других видах хромосомных мутаций. Также к летальным мутациям относят мутации в генах, несущих информацию о синтезе ДНК-полимераз. Мутанты, нуждающиеся в опр. аминокислотах, азотистых основаниях, ростовых факторах, называются ауксотрофными мутантами. Сохраняют способность к росту, только в том случае, если утрата определенного фермента компенсируются наличием в среде соответствующего готового продукта, образуемого при его непосредственном участии.

Отличает бактерии от живых организмов то что для бактерий свойственна горизонтальная передача генетических детерминант посредством факторов внехромосомного наследования. Она может быть межвидовой, межродовой. Эта проблема множественной лекарственной резистентности.

Мутагены

К мутагенам относят химические вещества или физические факторы (УФ, ионизирующая радиация). Эти факторы вызывают предмутационные повреждения в отдельном фрагменте или в отдельных фрагментах ДНК. И под воздействием этих факторов, эти изменения переходят в дальнейшем в мутацию в результате ошибок в работе репарирующих систем или в работе репарирующих ферментов. При этом по механизму действия на ДНК мутагены отличаются друг от друга.

Мутагены: акридиновые красители, нитрозосоединения (множественный эффект, высокая частота мутаций, супермутагенов), димеры тимина нарушают работу ДНК-полимераз.

К мутагенам, увеличивающим естественный фон мутаций в разных биотопах организма человека относят некоторые продукты микробного метаболизма, в частности перекиси.

15

Некоторые химиотерапевтические препараты, например, производные нитрофуранового ряда мутагенным действием в отношении микробных агентов. Кроме того, своеобразной формой изменчивости.

RS диссоциация

Она возникает спонтанно из-за образования двух форм бактериальных клеток, которые отличаются друг от друга по характеру образуемых ими колоний. R-колонии характеризуется неровными краями, шероховатой поверхностью. S-колонии имеют круглую форму. Этот процесс диссоциации, т.е. расщепления бактериальных клеток, формирующих оба типа колоний, обычно протекает в одном направлении от S-формы к R. Иногда между этими двумя крайними типами могут образовываться промежуточные формы. Но возможен и обратный переход. Он наблюдается значительно реже. На самом деле для большинства вирулентных бактерий характерен рост в виде S-формы, хотя есть и исключения, когда вирулентные штаммы имеют вид R формы колоний. Так вот к этим исключениям относится возбудители чумы, туберкулеза, сибироязвенные палочки.

В процессе диссоциации одновременно с процессом морфологии, меняются биохимические, антигенные, патогенные свойства бактерий. В ходе диссоциации у бактерий меняется устойчивость к действию физических и химических факторов окружающей среды.

Мутации, которые приводят к R-S диссоциации являются инверсионными. Встраивание внехромосомных факторов наследственности, в том числе умеренных фагов. При этом если такая мутация приводит к утрате генов, контролирующих образование тех или иных полисахаридных звеньев в липополисахариде грамотрицательных бактерий, то образуются так называемые R- мутанты. Они формируют шероховатые колонии. Они изменяют свои антигенные свойства. Резко ослабляют свою патогенность.

Для возбудителя дифтерии процесс R-S диссоциаций связан с лизогенизацией, т.е. опять же с работой профагов. Как правило она запускается бактериофагами. Следствием формирования R-форм является образование токсинов. Кроме того, R-формы могут возникать после интеграции в хромосому таких бактерий R-плазмид, а также транспозонов, а также IS последовательностей. Помимо этого, R формы могут образовываться в результате рекомбинаций. Таким образом, биологическое значение этой R-S диссоциации состоит в приобретении определенных селективных преимуществ, которые обеспечивают им существование в организме человека или условиях окружающей среды. Преимущества – более высокая устойчивость S форм к

фагоцитозу; бактерицидное действие сыворотки крови. R – большая устойчивость к факторам окружающей среды. S-R диссоциация усложняет бактериологическую диагностику, например, эшерихиозов, дизентерий.

Репарации

В исследовании с бактериями было установлено, что они уникальны тем, что обладают специальными системами, восстанавливающими повреждения генетического материала. Эти системы носят название репарационных систем. Сам процесс восстановление – репарация. Именно эта способность в том числе обуславливает стабильность ДНК

Репарация осуществляется специальными ферментами. Образование контролируется специальными генами. Здесь важно, что функции репаративных ферментов бактерий

16

заключаются в установлении места повреждения ДНК, вырезании этого участка, в синтезе поврежденных фрагментов на матрице сохранившейся нити ДНК, встраивании синтезируемого участка в молекулу нити ДНК.

Фотореактивация

Действие в присутствии света, расщепление тиминовых димеров. Превращают их в функционально активные мономеры. У бактерий помимо системы фотореактивации существует другая система, выполняющая те же самые функции, что и система фотореакцивации, но в отсутствии видимого света. Система темновой репарации. Система более сложная. Условно подразделяют на дореплекативную систему темновой репарации и пострепликативная репарация.

Дореплекативная. Обнаруживается и надрезается поврежденный фрагмент ДНК. Фермент эндонуклеаза. На втором этапе допреплекативной репарации происходит удаление вырезанного фрагмента ДНК. Помогает одна из ДНК-полимераз. Третьим этапом процесса дореплекативной репарации является синтез нуклеотидов по матрице второй сохранившейся нити ДНК. Здесь могут работать разные варианты ДНК-полимераз. Четвертый этап – сшивание постановленного фрагмента ДНК с основной нитью в доме, который построил Джек. Лигаза. Мутанты – повышенная чувствительность не только к летальному, но даже к мутагенному действию УФ.

Постреплекативная репарация. Дефекты ДНК как бы застраиваются фрагментами неповрежденных нуклеотидов и таким образом восстанавливается нормальная работа ДНК. Но для осуществления репарации важно не только действие физических факторов. При репарации важна роль и химических мутагенов. Так повреждения ДНК, вызванные химическими мутагенами, могут быть репарированы ферментами бактериальной клетки. В частности известен феномен как SOS-репарация. Это индуцибельный процесс. Он происходит при множественных изменениях в ДНК. Порядка 20 белков восстанавливает. Эта репарация имеет несколько систем активации. Причем, возможны ошибки и в обеспечении процесса этой репарации.

Хотя процесс репарации в целом не уникален для бактериальных клеток, ибо репарирующие системы есть у других. Они способны восстанавливать изменения клеточного генома, вызванные радиацией. Например, одно из заболеваний, связанных с ксеродермой, характеризуется летальным исходом у человека, а связана его летальность с отсутствием системы репарации, нарушается процесс восстановление повреждения ДНК, связанного с УФ лучами. В результате у таких людей после УФ воздействия развивается рак кожи.

У бактерий этот процесс фотореактивации контролируется ферментом фотолиазой. Она связывается с пиримидиновыми димерами. Следствием этого является активация ферментсубстратного комплекса. В основе этой активации лежит деятельность света с длиной волны от 300 до 600 нм. Выполнение этих условий приводит к мономеризации димеров. Таким образом, для систем репарации бактерий характерен процесс фотореактивации.

Кроме того, в качестве механизма адаптаций у бактерий важный процесс – удаление поврежденного участка, когда работают эндонуклеазы, ДНК-полимеразы, лигазы. ДНКэкстезионная репарация.

17

Рекомбинации

Также важно знать и помнить, что для бактерий характерны различные генетические рекомбинации. Они имеют свои особенности. Прежде всего, эти особенности обусловлены особенностями размножения этих живых организмов, особенностями закономерности передачи генетического материала. У высших организмов традиционно в качестве пути размножения половой процесс. Истинный половой процесс у бактерий не происходит. Поэтому у прокариотов рекомбинация происходит внутри геномных перестроек. Итогом процесса является формирование неполной зиготы (что это, блин, такое?). В результате образуется только один рекомбинант, поэтому возможны варианты по характеристике, по проявлению этих рекомбинаций. У бактерий важно разделение рекомбинаций на законные и незаконные. Законная требует наличие протяженных комплементарных участках ДНК. Происходит только между близкородственными особями. Незаконная рекомбинация не требует наличие протяженных участков. Она может происходить между неродственными микроорганизмами. Вклад в развитие незаконных рекомбинаций вносят IS элементы, потому что они имеют своеобразные липкие концы, что обеспечивает быстрое встраивание элементов в хромосому.

Важную роль в изменении антигенной структуры, в способности эффективно противостоять ~~~~~~ играют запрограммированные внутригеномные рекомбинации. При этих запрограммированных внутригеномных рекомбинациях происходит изменение только локализации уже имеющихся генов.

Кроме того, для бактерий были предложены специальные методы генетического анализа, которые позволяют восстановить относительное расположение генов на хромосоме. Но иногда, когда анализу подвергаются оба рекомбинирующих генома, ~~~~~~~~ область генетического обмена характерна для бактерий и это мы можем видеть в рекомбинации хромосомной и плазмидной ДНК.

Непосредственно передача ДНК

Передача генетического материала, а прежде всего хромосомных генов от одних бактерий к другим может реализоваться в следующих процессах:

1)Путем трансформации, когда осуществляется передача плазмидной ДНК;

2)Трансдукция. Бактериофаги.

3)Конъюгации. Межвидовая передача генов.

Трансформация

Трансформация – это непосредственная передача генетического материала от клетки-донора к клетке-реципиенту. Впервые в эксперименте этот процесс был воспроизведен в 1928 году. Автором работы был Грифетс. Он работал с авирулентными штаммами, безкапсульными вариантами пневмококка. Добился получения вирулентного штамма за счет того, что вводил в брюшную полость животных убитые капсульные варианты этих бактерий вместе с авирулентными безкапсульными. В результате доказано, что даже экстракт бактерий вирулентных передает информацию живым авирулентным.

Далее кто-то еще установил, что действительным активным началом в этой экспериментальной системе является сама ДНК, содержащаяся в этом экстракте, т.к. именно ДНК и ни кто иной определяет генетические свойства.

18

В дальнейшем трансформацию проводили разные ученые на разных объектах. Едино было одно. С донорской ДНК в реципиентную клетку обычно передается один ген.

Вывод был сделан один. Объем трансформации ограничен. В основе трансформации лежит возможность передачи фрагмента определенной протяженности этого фрагмента ДНК. Обычно этот фрагмент не превышает 1/100 длины бактериальной хромосомы, поэтому обычно трансформируемый участок представляет собой один ген, либо группу сцепленных генов.

Процесс трансформации бактерий в настоящее время подразделяется на несколько фаз:

1)Адсорбция ДНК донора на клетки реципиета;

2)Проникновение ДНК внутрь клетки реципиента;

3)Фаза соединения ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией. После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется, а затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК-донора в геном клетки реципиента. При этом эффективность спаривания зависит от степени гомологичности донора и реципиента. Чем выше гомологичность, тем эффективней спаривание, т.е. больше количество формирующихся рекомбинантов или трансформантов. Исходя из этого вполне понятно, почему межвидовая трансформация происходит реже, чем внутривидовая.

Трансдукция

Трансдукция. Передача генетического материала от одних бактериям к другим с помощью бактериофагов. Этот обмен был открыт Циндером и Ледербергом в 1951 году. В настоящее время различают три типа трансдукции, а именно неспецифическую (общая),

специфическую, абортивную.

Неспецифическая трансдукция. В процессе репродукции фага, а точнее в момент сборки факовых частиц, в их головку, вместе с факовой ДНК, может проникнуть какой-либо фрагмент ДНК донора. При этом сам бактериофак может утратить часть своего генома. Поэтому такой бактериофак становится дефектным. Такие дефектные трансдуцирующие факи составляют примерно 0,3% от всего потомства. При неспецифической трансдукцией в клетки реципиентного штамма вместе с факовой ДНК могут быть перенесены любые гены донора, например, гены, контролирующие способность синтезировать аминокислоты, пурины, пиримидины, гены резистентности к антибиотикам. В результате, принесенный факом фрагмент ДНК клетки донора способен включаться в гомологичную область ДНК клетки реципиента путем рекомбинации. Таким образом, при неспецифической трансдукции трансдуцирующие факи являются только переносчиком генетического материала от одним бактериям к другим. Сама факовая ДНК в образовании рекомбинантов не участвует.

Специфическая трансдукция. Способность фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. Этот процесс связан с тем, что образование Трансдуцирующего фага происходит путем выщепления профага из бактериальной хромосомы вместе с генами, расположенными на хромосоме клетки-донора рядом с профагом. Классический пример. Фаг Лямбда. Трансдуцирующий фаг Лямбда может переносить ген галактозы, который контролирует ферментацию галактозы. Помимо этого, трансдуцирующий фаг может переносить ген, ответственный за синтез биотина. Так вот, при выщеплении бактериальных генов вместе в ДНК профага из состава хромосомы часть факовых генов утрачивается. В результате, вместо фага лямбда формируется дефектный фак d, который несет ген, контролирующий, например, ферментацию галактозы, клетки донора. С другой стороны, с равной вероятностью он может нести ген, ответственный за синтез биотина. Кроме того, при взаимодействии трансдуцирующих фагов в клетки реципиента, происходит включение гена бактерии донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии реципиента. При этом бактерии, лизогенезированные таким образом

19

дефектным фагом не восприимчивы к последующему заражению гомологичным вирулентным фагом.

Абортивная трансдукция. Принесенный фагом фрагмент ДНК не включается в хромосому бактерии реципиента, а точнее он располагается в цитоплазме и в таком виде может функционировать. Важно понимать, что во время деления бактериальной клетки трансдуцируемый фрагмент ДНК передается только одной из двух дочерних клеток. Значит, при абортивной трансдукции трансдуцируемый фрагмент наследуется однолинейно и в конечном итоге такой фрагмент утрачивается. Таким образом, трансдукция – перенос генов с помощью бактериофагов.

Конъюгация

Перенос генетического материала из клетки донора в клетку реципиента при их скрещивании. Впервые этот процесс был обнаружен Ледербергом, совместно с Тейтумом, 1946. Несколько позднее было показано, что донорами генетического материала при конъюгации, являются клетки, несущие F-плазмиду (половой фактор). Бактериальные клетки, не имеющие этой плазмиды, не способны быть генетическими донорами. Такие клетки являются реципиентами генетического материала.

Важную роль играют половые ворсинки или F-пили. Условно F+ клетки – мужские, F- - женские. При скрещивании мальчиков и девочек, половой фактор передается независимо от хромосомы. При этом почти все реципиентные клетки получают половой фактор и становятся мальчикам.

F-плазмида способна интегрироваться в определённые участки бактериальной хромосомы. В некоторых случаях плазмида освобождается из хромосомы, захватывая при этом сцепленные с ней бактериальные клетки. Такие плазмиды также как и факлямда обозначаются с названием включенного нового гена. Например, Flac.

Первый этап. C помощью секс-пилей (полые цилиндрические отростки, образованные белком пилином. Он синтезируется на рибосомах, связанных с цитоплазматической мембраной. В результате он накапливается в ней. На поверхности цитоплазматической мембраны осуществляется сборка трубочек этих пилей. При этом они проходят через клеточную стенку и выходят наружу. Формируются пили только у активно растущей клетки и сохраняются на поверхности клетки в течение 4-5 минут, затем они сбрасываются. Именно с помощью половых ворсинок клетка донора прикрепляется к клетке реципиента. В результате образуется конъюгационный тоннель, по которому происходит передача ДНК от донора к реципиенту.

Второй этап. Образуется коньюгационный мостик или конъюгационный тоннель, через который, прежде всего, передается F-плазмида, но могут передаваться и другие плазмиды. Для переноса бактериальной хромосомы необходим разрыв одной цепи ДНК при участии эндонуклеазы. При этом проксимальный конец ДНК через конъюгационный тоннель проникает в реципиента и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся клетка является матрицей для синтеза второй нити. Следовательно, при конъюгации передается только одна нить донора, тогда как вторая комплементарная нить достраивается уже в реципиентной клетке. Таким образом, интеграция F-плазмиды в состав бактериальной хромосомы приводит к разрыву одной из нитей ДНК и это обеспечивает возможность переноса нити в реципиентную клетку. Подобные штаммы бактерий доноров получили название Hfr-штаммов. С высокой частотой рекомбинации передаются только гены, расположенные в точке О бактериальной хромосомы. Сама F-плазмида определяет эту самую точку О (характерна для каждого штамма вида), а помимо нее она определяет направление передачи хромосомы от донорской клетки к реципиентной.

20