вопросы в пдф / вопрос 53

ВОПРОС № 53

МЕХАНИЗМЫ РЕКОМБИНАЦИИ У ПРОКАРИОТ

Конъюгация (от лат. conjugatio - соединение) - однонаправленный перенос генетического материала от донора ("мужской" клетки) к реципиенту ("женской" клетке). Процесс коньюгации определяют и контролируют особые плазмиды - факторы фертильности. Клетка, содержащая хотя бы одну из таких плазмид, приобретает свойства донора, а лишенная ее - реципиента.

Перенос генов донорской хромосомы происходит в линейной последовательности и обычно сопровождается их рекомбинацией с хромосомными генами реципиента.

При конъюгации, для которой необходим непосредственный контакт между бактериальными клетками, осуществляется направленный перенос генетического материала от клетки-донора в клетку-реципиент. Как правило, в клетку-реципиент переносится только часть генетического материала клетки-донора, в результате чего образуется неполная зигота, или мерозигота, содержащая часть генома донора и полный геном клеткиреципиента. Участки перенесенной от донора ДНК находят гомологичные участки в молекуле ДНК реципиента, между которыми происходит генетический обмен ( рис. 40 , А). В результате часть донорной ДНК встраивается (интегрируется) в геном реципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК из него исключается. При конъюгации бактерий, происходит лишь частичный обмен генетической информацией конъюгирующих особей в отличие от конъюгации растений .

Плазмиды обнаружены у многих бактерий, принадлежащих к разным таксономическим группам. Количество плазмидной ДНК в клетке составляет обычно не более нескольких процентов от клеточного генома, а число плазмид колеблется от 1 до 38. Плазмиды - это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 40000 пар нуклеотидов. Большинство плазмид состоит из трех групп генов: участка ДНК, ответственного за автономную репликацию плазмиды в клетке; системы генов, обеспечивающих возможность переноса плазмид из одной клетки в другую; генов, определяющих свойства, полезные для клетки-хозяина. Отличительная особенность плазмид - способность к автономной репликации, поэтому минимальное количество ДНК, которое может быть названо плазмидой, - это фрагмент, обеспечивающий автономную репликацию плазмидной ДНК в клетке как единого целого.

В классическом определении трансформация бактерий заключается в переносе ДНК, выделенной из одних клеток, в другие. Для трансформации не требуется непосредственного контакта между двумя клетками. Способность ДНК проникать в клетку-реципиент зависит как от природы самой ДНК, так и от физиологического состояния клетки-реципиента. Трансформирующей ДНК могут быть только высокомолекулярные двухцепочечные фрагменты, при этом проникать в бактериальную клетку может ДНК, выделенная из разных биологических источников, но включаться в геном - только ДНК с определенной степенью гомологичности. После того как экзогенный фрагмент ДНК, проникший в клетку, нашел гомологичный фрагмент ДНК клетки-реципиента, между ними происходит генетический обмен аналогично тому, как это имеет место на последнем этапеконъюгации ( рис. 40 , А).

В современном понимании трансформация - это:

-превращение нормальной клетки в опухолевую клетку;

-генетическое изменение вследствие поглощения клетками экзогенной ДНК (см. трансфекция ).

Трансдукция (transduction) - преобразование.

Конъюгация и транформации - не единственный способ переноса генетического материала. Гены могут переносится из одной бактериальной клетки в другую с помощью умеренных фагов (бактериофагов). Такой перенос бактериальных генов получил название трансдукции. Классически под трансдукцией (специфической или неспецифической) понимали перенос фагами небольших частей генома между микроорганизмами. В более общем виде трансдукция - это появление материала в геноме за счет предварительного включения его в определенный носитель ( вектор ) и перенесение в геном с участием ферментативной системы вектора . Также перенос материала от одного места в геноме в другое с помощью элементов, способных осуществлять такой перенос. Например, L1 элементы геномов млекопитающих трансдуцируют соседние элементы генома в другие его места. Трансдукция оказывается возможной, если в процессе размножения фага одна из частиц случайно захватит фрагмент бактериальной хромосомы, содержащий, как правило, очень небольшое число генов. Когда такая фаговая частица заражает бактерию-реципиент, бактериальная ДНК проникает в клетку таким же путем, как фаговая. Между трансдуцированной бактериальной ДНК и гомологичным участком бактериальной хромосомы может произойти обмен, и, как следствие его, возникают рекомбинанты, несущие небольшую часть генетического

материала клетки-донора ( рис. 40 , А). Передача признаков с помощью фагов показана для бактерий, принадлежащих к разным родам.

Еще один путь переноса генетического материала у прокариот осуществляется с помощью плазмид определенного типа, обладающих генами, обеспечивающими эту возможность. Такие плазмиды помимо переноса собственного генетического материала могут обеспечивать перенос хромосомных генов, плазмид, не обладающих способностью к самостоятельному переносу, а также осуществлять передачу транспозонов из плазмиды в хромосому или другую плазмиду.

Все известные способы передачи генетической информации с помощью плазмид создают огромные возможности для интенсивных генетических обменов между клетками различных бактерий. Плазмидам и другим нехромосомным генетическим элементам принадлежит основная роль в передаче генетической информации "по горизонтали". Можно предположить, что в природе любая генетическая информация может быть перенесена в любую клетку прокариот, если не прямо, то через посредников. Подтверждением этого могут служить данные по введению с помощью сконструированной плазмиды в бактериальную клетку эукариотной ДНК и ее репродукции там. Так редкое событие, происходящее с частотой 10 в степени минус 4 - 10 в степени минус 7, плазмиды или отдельные гены, входящие в их состав, могут включаться в бактериальную хромосому. Поскольку ДНК плазмиды и бактериальной клетки не имеют одинаковых нуклеотидных последовательностей, т.е. не являются гомологичными, рекомбинация между ними происходит не по механизму обмена, а по механизму встраивания ( рис. 40 , Б).

Рекомбинации такого типа происходят также с

участием транспозонов и IS-элементов при их перемещении (транспозиции) в пределах хромосомы. Встраивание плазмид и мигрирующих элементов помимо того, что приводит к введению в хромосому дополнительного генетического материала, может вызывать перестройку бактериального генома: нарушать целостность генов или регуляцию их функционирования, т.е. вызывать мутации .