Рекомбинация у бактерий.
Рекомбинации у бактерий происходят при трансформации, конъюгации и трансдукции. Эти три способа генетического обмена обеспечивают перенос ДНК из бактерии-донора в бактерию-реципиент. Рекомбинанты обладают признаками реципиентной и донорной клетки, но так как в реципиентную клетку переносится лишь небольшая часть генетического материала, то рекомбинанты в общем сохраняют генотип реципиента, приобретая лишь отдельные признаки донора.
Исторически раньше других у бактерий описано явление трансформации. Трансформация (превращение, перестройка) – это процесс переноса участка генетического материала ДНК, содержащего одну пару нуклеотидов, от клетки донора к клетке-реципиенту.
Трансформация была открыта а 1928 году 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, Гриффитс наблюдал гибель животных, а затем из их крови выделял наряду с бескапсульными и активные капсульные пневмококки. Автор пришел к заключению, что бескапсульные варианты приобрели способность образовывать капсулу под влиянием капсульных пневмококков, несмотря на то, что последние были мертвы.
В 1931 г. М. Даусон и Р. Сиа описали аналогичную трансформацию in vitro, выращивая клетки R-типа в бульоне, содержащем клетки пневмококков S-типа, убитых нагреванием.
Подобную трансформацию бескапсульных пневмококков наблюдали многие исследователи, но природа трансформирующего агента оставалась неизвестной. И только в 1944 году О. Эйвери с сотрудниками выделил трансформирующее вещество из капсульных убитых пневмококков и исследовал его свойства. Оно оказалось чувствительным к ДНК-азе, и этот факт явился доказательством того, что трансформацию вызывает ДНК.
В процессе трансформации выделяют несколько стадий:
присоединение ДНК к поверхностным рецепторам реципиентной клетки;
проникновение ДНК в клетку-реципиент;
превращение проникшей двухцепочечной ДНК в одноцепочечную;
включение участка ДНК клетки-донора в хромосомные структуры клетки-реципиента;
фенотипическое выражение поглощенного гена.
Трансформация происходит только при определенных условиях и физиологическом состоянии клетки, которое называется «состояние готовности». Оптимальная температура трансформации 29-320С. Частота трансформации более высока, если донором и реципиентом являются бактерии одного вида. Однако трансформация может происходить и между бактериями разных видов, но с очень низкой частотой образования трансформантов. Путем трансформации передаются разные свойства: образование капсул, устойчивость к антибиотикам, способность к синтезу аминокислот, витаминов и др.
Трансдукция – это перенос генетического материала из одной клетки в другую умеренным бактериофагом. Трансдукция была открыта в 1952 году Н. Циндером и Е. Ледербергом. В процессе размножения некоторых фагов небольшие фрагменты ДНК бактерии попадают в геном вновь образовавшегося фага. После проникновения такого фага в клетку-реципиент происходит передача генетического материала и последующая его рекомбинация.
Различают три типа трансдукции: общую (неспецифическую), специфическую и абортивную. Фаги, осуществляющие общую трансдукцию, могут переносить любые хромосомные гены и включаться в любой участок хромосомы реципиента. То есть при общей трансдукции могут переноситься любые признаки без каких-либо предпочтений. Фаги специфической трансдукции могут включать в свой геном только рядом расположенный сегмент хромосомы, при этом он имеет определенную точку прикрепления на хромосоме, следовательно, захватить он может строго определенную область хромосомы бактерии и передает ее клетке-реципиенту. Таким образом, при специфической трансдукции клетка получает строго определенные гены. При абортивной трансдукции участок ДНК клетки-донора, перенесенный фагом в клетку-реципиент, не включается в хромосому, а располагается в цитоплазме. При делении клетки этот фрагмент передается только одной дочерней клетке, и только эта клетка несет новое свойство.
Конъюгация (спаривание) – передача генетического материала от донорной к реципиентной клетке при их непосредственном контакте. Конъюгация осуществляется только между клетками разного пола, который определяется у бактерий наличием или отсутствием полового F-фактора. Им является кольцевая молекула ДНК плазмиды. Бактерии, которые содержат F-фактор (F+), являются бактериями мужского типа и служат донорами генетического материала. Другие не имеют F-фактора (F-) – это бактерии женского типа, они являются реципиентами.
Впервые явление конъюгации было обнаружено у кишечной палочки и описано в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Татумом. Наиболее убедительные доказательства образования генетических рекомбинантов в результате конъюгации были получены Б. Дэвисом. В одно колено U-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 время из содержимого каждого колена производили высев бактерий на минимальную среду, но ни в одном рекомбинанты обнаружены не были. Когда же оба родительских штамма засевали в одно и то же колено трубки, что позволяло клеткам вступить в прямой контакт, рекомбинанты появлялись. В 1957 году наличие такого контакта между клетками удалось наблюдать с помощью электронного микроскопа. Позже было установлено, что конъюгирующие клетки соединяются через конъюгационный мостик, образованный половой ворсинкой F-пили донорной клетки.
Сближению клеток способствует сокращение половой ворсинки или втягивание ее внутрь донорной клетки. Реципиентная клетка подтягивается к донорной до непосредственного контакта клеточных стенок. Репликация ДНК осуществляется по механизму «катящегося кольца». Когда клетки вступили в контакт, в молекуле ДНК происходит одноцепочечный надрез, и двойная цепь начинает раскручиваться. Одна из цепей, начиная с 5`-конца, передается в реципиентную клетку, другая остается в донорной. Одновременно с передачей происходит и репликация ДНК. Таким образом, от донора к реципиенту передается одна цепь, но в процессе передачи она 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. Клетка-донор передает лишь часть своего генома, в результате образуется мерозигота, которая содержит полный геном реципиента и лишь фрагмент генома донора. Конъюгация – однонаправленный процесс, то есть перенос генетического материала происходит в одном направлении – от донорной (мужской) клетки к реципиентной (женской).
В зависимости от состояния F-фактора и его положения в клетке различают три типа донорных клеток: F+ , Hfr и F`. В клетках первого типа F-фактор находится в свободном состоянии. При скрещивании происходит передача F-факторов и F--клетки превращаются в донорные. Второй тип (Hfr) донорных клеток происходит от F+-клеток в результате включения F-фактора в бактериальную хромосому. Это осуществляется с помощью IS-элементов и транспозонов. Hfr-штаммы при скрещивании с F--клетками передают им гены с частотой, в 1000 раз больше, чем клетки F+ , то есть в этом случае в потомстве обнаруживается гораздо больше рекомбинантов, чем при скрещивании F+ и F- . И эти рекомбинанты почти всегда являются женскими, то есть F-фактор не передается. В третьем типе (F`) F-фактор может спонтанно отделяться от хромосомы, переходит в свободное состояние, унося при этом хромосомные маркеры (гены). То есть в этом случае передается и F-фактор, и хромосомные маркеры ДНК клетки-донора.
Таким образом, все три формы комбинативной изменчивости по существу одинаковы. При трансформации участок ДНК клетки-донора входит в клетку-реципиент; при трансдукции эту роль выполняет фаг, а при конъюгации перенос генетической информации осуществляется через цитоплазматический мостик.