4.3. Генетичні рекомбінації

Генетичні рекомбінації — це обмін генетичним матеріалом (ділянками ДНК) між клітинами бактерій різних варіантів у межах одного виду. Рекомбінанти, що при цьому виникають, успадковують деякі ознаки обох «батьківських» клітин. Генетичні рекомбінації створюють невичерпне джерело різноманітних комбіна­цій генів, які природа використовує в процесі еволюції. Вважається, що здат­ність клітин до рекомбінацій детермінується особливими гесгенами (recombination — рекомбінація). Виділяють три основні види генетичних реком­бінацій: трансформація, трансдукція та кон'югація.

Трансформація — передача певних властивостей одного мікроба (донора) ін­шому (реципієнту) шляхом перенесення ділянок ДНК. В результаті трансфор­мовані клітини можуть набувати нових ознак (здатність до утворення капсул, стійкість до антибіотиків тощо).

Вперше на явище трансформації звернув увагу Ф. Гриффітс у 1928 р., вив­чаючи пневмококи (Streptococcus pneumoniae), які утворюють капсулу в організмі, а на агарі ростуть у вигляді гладеньких (S-форма) колоній. При введенні білим мишам вбитих нагріванням вірулентних капсульних пневмококів III типу разом із авірулентними безкапсульними пневмококами II типу (R-форма) ла­бораторні тварини через декілька днів гинули, а з їх крові висівались живі капсульні пневмококи II серотипу. Тобто було встановлено, що авірулент-ний штам перетворився у вірулентний завдяки тому, що набув здатності утво­рювати капсулу і ця ознака передава­лась спадково (рис. 4.3). У 1944 р. О. Евері, К. Маклеод та М. Маккарті змоделювали цей фено­мен in vitro. Вони, виділили та очи­стили трансформуючий агент. Ним виявилась молекула ДНК.

Трансформація відбувається тільки в тих клітинах, які здатні до неї. Такий стан визначається поняттям компе­тентності, природа якої остаточно нез'ясована. Вважається, що вона зу­мовлюється наявністю особливого білка — компонента клітинної мем­брани, здатного розщеплювати деякі структурні елементи клітинної по­верхні. Таким чином, вивільняються рецепторні ділянки, з якими взаємодіє ДНК. Стан компетентності форму­ється на певних стадіях розвитку бак­теріальної клітини.

Механізм явища трансформації по­лягає в тому, що спочатку на поверхні клітини-реципієнта адсорбується не­великий фрагмент двониткової ДНК (1/250-1/500 частина хромосоми клітини-донора). Згодом він проникає всере­дину клітини, де одна нитка ДНК перетравлюється ендонуклеазами, а інша — вмонтовується у клітинну хромосому. Настає остання фаза процесу — експресія рекомбінантів. Такий процес інтеграції відбувається дуже швидко. Для появи ре-комбінантів достатньо п'яти- десятихвилинного контакту клітини-реципієнта з донорською ДНК, а сам процес завершується за 2 год.

Здатність до трансформації виявлено у багатьох мікроорганізмів — представ­ників родів Bacillus, Neisseria, Haemophilias, Staphylococcus, Escherichia та інших. За допомогою трансформації у бактерій можна підвищити вірулентність, надати їм резистентності до лікарських засобів чи навпаки — підвищити чутливість та ін.

Трансдукція — це процес переносу генетичного матеріалу від клітини-донора до клітини-реципієнта за участю бактеріофага, тобто фаг відіграє роль «гамети», переносячи в реципієнтну клітину фрагмент ДНК клітини-донора.

Явище трансдукції було відкрито у 1952 p. Н. ІДіндером і Д. Ледербергом, які, вивчаючи процес кон'югації між різними штамами сальмонел, звернули увагу, що іноді обмін генетичним матеріалом відбувається не в результаті кон'югації, а внаслідок вивільнення з батьківських штамів помірного бактеріофага

Трансдукція часто спостерігається у ентеробактерій, псевдомонад, стафіло­коків та бацил. Розрізняють три типи трансдукції: загальну (неспецифічну), спе­цифічну і абортивну.

При загальній трансдукції відбувається передача одної або кількох ознак од­ночасно від клітин-донорів до клітин-реципієнтів за участю помірних трансду-куючих фагів. Фаг та ділянка ДНК клітини-донора інтегрують з геномом клітини-реципієнта.

Специфічна трансдукція характеризується здатністю бактеріофагів перено­сити лише певні гени від бактерії-донора, які локалізуються по обидва боки від місця інтеграції фага в геном клітини.

При абортивній трансдукції фагова ДНК та гени бактерії-донора не інте­груються в хромосому реципієнта, а залишаються в цитоплазмі. Під час поділу клітини вони передаються тільки одній з дочірніх клітин, а згодом просто елі­мінуються з неї.

Кон'югація — статевий процес, при якому батьківські клітини з'єднуються за допомогою кон'югаційних містків, через які відбувається обмін генетичним ма­теріалом. Кон'югація досліджувалася у різних родів бактерій (Escherichia, Shigella, Salmonella, Pseudomonas), особливо досконало вона вивчена у кишкової палички (Е. coli).

Статевий фактор F(англ. fertititi — плідність), який являє собою фрагмент ДНК, обумовлює утворення на поверхні клітини однієї чи двох так званих ста­тевих фімбрій або пілі, які беруть участь у кон'югації. Вважають, що статевий фактор знаходиться в цитоплазмі автономно, тобто не в бактеріальній хромо­сомі, а входить до складу епісом, або плазмід. Через статеві фімбрії, або пілі, хромосома (або її частина) передається від донорів F⁺ (чоловічі особини) до реципієнтів F^- (жіночі особини). Клітина, яка отримала кон'югативну плазміду F, набуває здатності синтезувати статеві ворсинки на поверхні, отже, може сама вступати в кон'югацію. Частота цього процесу — 10^-5-10^-8. В деяких ви­падках F-плазміда здатна інтегрувати з хромосомою. Якщо така інтеграція ста­більна, утворюється клон клітин, у якому всі бактерії здатні вступати в кон'югацію з досить високою частотою — 10^-1-10^-4. Такий штам називають шта­мом Hfr (high frequency of recombination — висока частота рекомбінацій). На відміну від F⁺-клітин в Hfr-донорах F-фактор інтегрований з хромосомою бак­терій. Коли такі клітини вступають у кон'югацію з F^- штамами, до них пере­дається тільки одна нитка ДНК. Триває процес 60-90 хвилин, а швидкість переносу становить до 5 х 10⁴ пар нуклеїнових основ за одну хвилину. Таким чином, у клітині-реципієнті експресується власний геном та частина генома донора.

Деколи в клітинах Hfr може відбуватись відщеплення F-фактора і він пере­ходить в автономне існування в цитоплазмі, захопивши з собою сегменти хро­мосоми клітини-господаря. Такий F фактор називається F-генота, а клітина, що його несе, клітиною F^,. В її хромосомі є дефект, відповідний втраченому фрагменту.

Таким чином, від бактерії до бактерії можна перенести різноманітні власти­вості донорського штаму. Крім того, перериваючи процес кон'югації через певні проміжки часу і вивчаючи нові властивості, які набула клітина-реципієнт, можна визначити локалізацію генів на хромосомі, тобто провести її картування.

Кон'югувати можуть штами не тільки одного, але й різних видів. Крім F-фактора, плазміди містять R-фактор (фактор резистентності), Ure-фактор (уре-азний), Нli-фактор (гемолітичний) та ін.

У кишкових бактерій під контролем плазмід продукуються речовини біл­кової природи, які одержали назву коліцинів. Вони можуть адсорбуватися на поверхні чутливих клітин, пригнічувати їх метаболітичні процеси, призводячи до загибелі. Коліцини пригнічують ріст патогенних бактерій кишкової групи, можуть у такий спосіб нормалізувати біоценоз (мікробоценоз) шлунково-киш­кового тракту. Плазміди широко розповсюджені і в інших видів мікроорганіз­мів, вони контролюють утворення бактеріоцинів — антибіотичних речовин, що бактерицидно впливають на близькі види. Таким чином, всі три форми гене­тичної рекомбінації (комбінативної мінливості) — трансформація, трансдукція та кон'югація — різні за формою, але однакові за своєю суттю. При трансфор­мації ділянка ДНК клітини-донора входить до клітини-реципієнта, при транс­дукції цю роль виконує фаг, при кон'югації генетична інформація переноситься через цитоплазматичний місток пілі. В залежності від нових комбінацій гене­тичного матеріалу в потомстві мікробів можуть виникнути рекомбінанти різ­ного типу.